（凝聚态物理专业论文）窄带锰氧化物pr1xcaxmno3体系的电荷有序和多重磁化转变研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 摘要 强关联电子系统由于其广阔的应用前景和内在丰富的物理现象已引起了物 理学界和材料学界的广泛关注，因而成为近年来现代科学研究的热点之一。对于 强关联电子系统中关键物理问题的解决，包括对锰氧化物和高温超导体等内在机 理的解决具有至关重要的意义。本文以p r l 。c 赴m n o o = o 2 5 ，o 3 3 ，o 4 ) 体系为具 体研究对象，在磁场诱导下研究了体系的磁特性、电输运性质以及比热等特性， 以期揭示强关联体系中存在的相分离机制，为解释锰氧化物中出现的些奇异物 理现象提供了相应的实验证据。全文共分为六章，主要内容为： 第一章综述了钙钛矿结构锰氧化物的国内外研究进展，包括晶体结构、电子 结构、自旋轨道耦合、电荷有序与相分离特征、强关联锰氧化物的基本理论模 型以及能带结构，特别是对窄带锰氧化物体系的研究等，并对本论文工作的选题 依据和研究内容进行了概括性描述。 第二章综合了与本论文工作相关的主要实验方法和原理，包括样品制各，x 射线衍射结构分析，p p m s 一9t 的交直流磁性、电输运和比热测量及其在强关联 锰氧化物研究中的应用等。 第三章报告了对钙钛矿结构锰氧化物p r l 。c a 。m n 0 3 g = o 3 3 ，o 4 ) 体系的磁性 研究。在高温区样品发生电荷有序反铁磁转变，通过交直流磁化测量给出了直 接证据。结合结构分析与电输运实验，观察到了晶格参数c 和电阻率在电荷有序 转变温度附近的相应变化；低温区，体系具有典型的相分离特征，先后在4 1k 附近和2 5k 以下出现自旋玻璃和团簇玻璃行为。自旋玻璃相的特征体现在交流 磁化测量中的转变峰会随交变场频率的改变发生移动；团簇玻璃相即使在高磁场 中也很难被熔化，且其中的反铁磁团簇在竞争中占主导地位。而0 2 5 掺杂的样 品在低温下表现出反常的铁磁绝缘态行为，这一点在其它的锰氧化物体系中很少 观察到。 第四章研究了p r l 。c a x m n 0 3 ( x = 0 3 3 、o 4 ) 中存在的台阶型磁化强度转变与相 分离行为。通过磁化和输运测量，发现温度、磁场扫描速率与外加冷却磁场的大 上海大学硕士学位论文 摘要 小对磁化跳跃具有很大影响，而且对热循环表现出很强的不可逆效应。从类马氏 体相变以及自旋轨道耦合的观点出发对这种磁化跳跃行为给予了初步解释。而 对于x = 0 2 5 的样品，由于不存在电荷有序相，长程的轨道有序导致了铁磁的超 交换作用，因此铁磁成分在外场作用下明显增长，使样品的磁化行为在m ( h ) 曲 线上不存在任何滞后效应，因而没有表现出磁化跳跃现象。 第五章通过比热实验对p r o6 c a 0 4 m n 0 3 和p r 2 b c a v 3 m n 0 3 体系作了进一步的 研究。实验结果表明，在c p ( 乃曲线上有两个异常的比热峰，其中较明显的峰对 应于电荷有序转变，其熵变为2j m o lk ；而在1 6 0k 附近的转变则是反铁磁有 序引起的，同时还伴随有结构相变。在5t 外场中，因为电荷有序和反铁磁有序 的熔化，两者的峰值温度均有所降低。由于o 3 3 掺杂的样品在高温区含有较多 的铁磁成分，与0 4 的样品相比，其比热值略高而转变峰却向低温移动。通过实 验数据的拟合分析，证明了低温下( r 1 5k ) 电子比热项与自旋玻璃态的存在 以及由多余m n 3 + 离子产生的电荷无序效应有着很密切的关联。 第六章对本文工作和本课题的后续研究进行了总结与展望。 关键词：锰氧化物；电荷有序；相分离；多重磁化跳跃：比热 i i 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h es t r o n g l yc o r r e l a t e de l e c t r o ns y s t e mh a sa t t r a c t e dm u c hm o r e a t t e n t i o ni np h y s i c sa n dm a t e r i a lf i e l d t h u si tb e c o m e so n eo ft h em o s ta c t i v ea r e a so f s c i e n t i f i cr e s e a r c hb e c a u s eo fi t sw i d ea n dp o t e n t i a l a p p l i c a t i o n s a sw e l la si t s a b u n d a n tp h e n o m e n a t h es o l u t i o n st ot h ek e yi s s u e si nt h i ss y s t e ma r eo fg r e a t i m p o r t a n c et or e v e a l i n gt h ei n t e r n a lm e c h a n i s mo fm a n g a n i t e sa n dh i g l it e m p e r a t u r e s u p e r c o n d u c t o r s i nt h i st h e s i s ，w ec o n d u c tas y s t e m a t i cs t u d yo np r l c a x m n 0 3 仁= o 2 5 ，o 3 3 ，o 4 ) s a m p l e sw i t ht h eu t i l i t yo fm a g n e t i cf i e l d ，s u c ha st h em a g n e t i c , e l e c t r o n i cp r o p e r t i e sa n ds p e c i f i ch e a te t c ，i no r d e rt ou n d e r s t a n dt h em e c h a n i s mo f p h a s es e p a r a t i o ni ns u c hac o r r e l a t e ds y s t e ma n dp r o v i d er e l e v a n te x p e r i m e n t a lp r o o f s t oe x p l a i nt h ep e c u l i a rp h e n o m e n ao c c u r r i n gi nt h em a n g a n i t e s t h ew h o l ea r t i c l e c o n s i s t so fs i xc h a p t e r sa n dt h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： i nc h a p t e ro n e ，w eg e n e r a l i z et h el a t e s tr e s e a r c hp r o g r e s si nt h ef i e l do fp e r o v s k i t e m a n g a n i t e sa th o m ea n da b r o a d ，i n c l u d i n gc r y s t a la n de l e c t r o n i cs t r u c t u r e ，s p i n o r b i t a l c o u p l i n g ，c h a r g eo r d e r i n ga n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fp h a s es e p a r a t i o n ，s o m eb a s i c t h e o r e t i c a lm o d e l sa l o n gw i t ht h eb a n dc o n f i g u r a t i o n ，e s p e c i a l l yt h es t u d yo nt h e n a r r o w - b a n d w i d t hm a n g a n i t e ss y s t e m f u r t h e r m o r e ，w ep u tf o r w a r dt h eo v e r v i e w w h y w ec h o o s es u c has u b j e c ta n dt h em a i nc o n t e n t i nc h a p t e rt w o ，i ti n v o l v e st h em a i nm e t h o d sa n dp r i n c i p l e si no u re x p e r i m e n t ， i n c l u d i n gt h ep r e p a r a t i o no fs a m p l e s x - r a yd i f f r a c t i o na n a l y s i sa n dp p m s 9t t h e i n t r o d u c t i o no fp p m s - 9ti sa b o u tt h em e a s u r e m e n to fa c d cm a g n e t i z a t i o n ， e l e c t r o nt r a n s p o r t ，s p e c i f i ch e a ta n dt h e i ra p p l i c a t i o ni nt h es t u d yo fm a n g a n i t e s i nc h a p t e rt h r e e ，w em a i n l ys t u d yt h em a g n e t i cp r o p e r t i e so fp r l c a x m n 0 30 = 0 3 3 ， o 4 ) w i t hp e r o v s k i t e s t r u c t u r e a t h i g l lt e m p e r a t u r e s ，i ta p p e a r sc h a r g e o r d e r i n g a n t i f e r r o m a g n e t i ct r a n s i t i o n ，w h i c h c a nb e p r o v e d b y t h ea c d c m e a s u r e m e n t s c o m b i n i n gw i t h t h es t r u c t u r a l a n a l y s i s a n de l e c t r o n t r a n s p o r t 上海大学硕士学位论文a b s t r a c t e x p e r i m e n t ，w eo b s e r v et h ec o r r e s p o n d i n gc h a n g e so fi t sl a t t i c ep a r a m e t e rca n d r e s i s t i v i t yv i a t h et r a n s i t i o n t e m p e r a t u r e i nt h el o wt e m p e r a t u r e s ，t h es a m p l e p o s s e s s e st y p i c a lp h a s es e p a r a t i o n ；i tf o r m sc l u s t e ra n ds p i ng l a s sp h a s ea ta b o u t4 1k a n d2 5k r e s p e c t i v e l y t h es p i ng l a s sp h a s ei sc h a r a c t e r i z e dw i t ht h ef e a t u r et h a ti t s a c s u s c e p t i b i l i t yp e a km o v e s w i t ht h ec h a n g eo ff r e q u e n c y w h i l et h ec l u s t e rp h a s ei s d o m i n a t e db ya n t i f e r r o m a g n e t i cc l u s t e ri nt h ec o m p e t i t i o n ，s oi t sh a r dt ob em e l t e d e v e nu n d e rh i 曲m a g n e t i cf i e l d a d d i t i o n a l l y , w ef i n dt h e r ea p p e a r sa na b n o r m a l f e r r o m a g n e t i ci n s u l a t i n gt r a n s i t i o n i n p r 0 t s c a o 2 5 、4 n 0 3 ，w h i c hi ss e l d o mt ob e o b s e r v e di no t h e rm a n g a n i t e ss y s t e m i nc h a p t e rf o u r , v a r i o u sf i e l di n d u c e d s t e p l i k et r a n s i t i o n so fp r l c a x m n 0 30 = 0 3 3 ， o 4 1a n di t sp h a s es e p a r a t i o nb e h a v i o ra r ei n v e s t i g a t e di nd e t a i l b ym a g n e t i ca n d t r a n s p o r tm e a s u r e m e n t ，o u rd a t as h o wt h a ts u c ht r a n s i t i o n sw i l lb es t r o n g l yi n f l u e n c e d b yt e m p e r a t u r e ，f i e l ds w e e pr a t ea n dt h em a g n i t u d eo ff i e l dc o o l i n g ；m e a n w h i l ei ta l s o s h o w si l r e v e r s i b i l i t yt ot h e r m a lc y c l i n ge f f e c t a l lt h e s ep h e n o m e n ac a nb ee l u c i d a t e d p r i m a r i l yf r o mt h ep e r s p e c t i v eo fm a r t e n s i t i c - l i k et r a n s i t i o na n ds p i n o r b i t a lc o u p l i n g h o w e v e lp r o 7 5 c a o 2 5 m n 0 3h a sn os t e po rh y s t e r e s i so n 肘( 田c u r v e sd u et oi t s f e r r o m a g n e t i cs u p e r e x c h a n g ei n t e r a c t i o ni n d u c e db yo r b i t a lo r d e r i n ga n dl a c ko f c h a r g eo r d e r i n gp h a s e ，s oi t sf e r r o m a g n e t i cv o l u m ew i l li n c r e a s ed r a m a t i c a l l y i nc h a p t e rf i v e ，w em a k eu s eo fs p e c i f i ch e a tm e a s u r e m e n tt oc o n d u c taf u r t h e rs t u d y o fp r o 6 c a o 4 m n 0 3a n dp r 2 r 3 c a v 3 m n 0 3 a c c o r d i n gt ot h er e s u l t s ，t h e r ea r et w o a b n o r m a l i t i e so nt h eo ( 乃c u r v e s t h eo b v i o u sp e a ki sd u et ot h ec h a r g eo r d e r i n g t r a n s i t i o n ，i t se n t r o p ya s s o c i a t e dw i t ht h i st r a n s i t i o na m o u n t st on e a r l y2j m o lk w h i l et h ek n e ea r o u n d1 6 0kc a nb ea t t r i b u t e dt oa n t i f e r r o m a g n e t i ct r a n s i t i o na l o n g w i t ht h ec h a n g eo fs t m c t u r e u n d e rt h ea p p l i e df i e l do f5t i tw a sf o u n db o t hp e a k s a r es h i f t e dt ol o w e rt e m p e r a t u r e sb e c a u s ec h a r g ea n da n t i f e r r o m a n g n e t i co r d e r i n gw i l l b em e l t e db yt h ef i e l d s i n c e 工= o 3 3h a sm o r ef e r r o m a g n e t i cv o l u m ei nt h eh i g l l t e m p e r a t u r e s ，s oi t ss p e c i f i ch e a tb e c o m e sl a r g e rw h i l et h ep e a km o v e sd o w n w a r d c o m p a r e dw i t hx = 0 4 b yf i t t i n gt h ed a t a ，w ep r o v et h ec l o s er e l a t i o n sb e t w e e nt h e i i 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t e l e c t r o n i ct e r mi nt h el o wt e m p e r a t u r e s 仃 1 5k ) a n dt h ee x i s t e n c eo fs p i ng l a s sa n d c h a r g ed i s o r d e r i n gd u e t ot h ee x c e s sm n “ i nc h a p t e rs i x ，w eg i v eac o n c l u s i o no ft h ew h o l et h e s i sa n d p u tf o r w a r dt h ev i s t af o r i t sf u t u r es t u d y k e y w o r d s ：m a n g a n i t e s ；p h a s es e p a r a t i o n ；c h a r g eo r d e r i n g ；m u l t i p l em a g n e t i z a t i o n s t e p ；s p e c i f i ch e a t i i i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 期：塑! ：! ：乃 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：选l 篮- 必f 导师虢础期： i i 塑! ：! ：! ) 上海大学硕士学位论文 第一章综述 第一章综述 1 1 引言 巨磁电阻效应( g i a n tm a g n e t o r e s i s t a n c e ，g m r ) 是1 9 8 8 年b a i b i c h 在反铁磁耦 合的f e c r 周期性多层膜中观察到的，他们发现随外磁场的增加，在反铁磁耦合 的f e c r 周期性多层膜中出现了超过5 0 的磁电阻变化【1 】。我们将表征m r 效 应大小的物理量定义为磁电阻系数：m r = ( r h - r o ) r o = 妇一p o ) 娜，其中r h ( p h ) 是 外磁场为h 时的电阻( 率) ，硒( 伽) 是零磁场下的电阻( 率) 。之后，1 9 9 4 年，j i n 等 人在l a 2 ，3 c a l ，3 m n 0 3 和n d 媚s r v 3 m n 0 3 样品中又分别观察到了大于1 0 5 和1 0 6 的磁电阻变化，故而称之为庞磁电阻效应( c o l o s s a lm a g n e t o r e s i s t a n c e ，c m r ) 。锰 氧化物巨磁电阻材料与氧化物高温超导材料同属于强关联电子系统。 巨磁电阻效应之所以在全世界受到持久的重视，和它的重要应用是分不开 的。目前，g m r 效应已被广泛地应用于计算机的硬盘磁头、随机存储器和传感 器等关键器件中。利用g m r 效应，硬盘的面记录密度已达到每平方英寸1 k m b i t ，大大超过了可写式光盘的面密度；计算机硬盘读出磁头的分辨率也大大提 高，还能克服m r 磁头固有的巴克豪森噪声。同时，g m r 随机存储器( m r a m ) 利用隧道巨磁电阻效应进一步提高了存储密度和快速存取，带动了计算机内存储 器的一场革命【2 】。虽然，超巨磁电阻近几年来已成为人们的研究热点，但对于 其机理尚存疑问，就像高临界温度超导材料超导性的原因难以捉摸一样，所以人 们对此投入了极大的兴趣，几乎采用了所有微观分析、衍射技术、图像分析等手 段进行深入分析。实验上通过传统的化学掺杂、外加等静压及光照观测样品在电 场、磁场下的晶体结构、能带结构和电磁特性等，并由此提出不少理论模型。特 别是近几年，在该类材料中还相继发现了许多新的物理现象，例如：大的磁致伸 缩、磁致结构相变以及异常的热膨胀等等。由于庞磁电阻锰氧化物的发现具有重 要的科学内涵和潜在的应用价值，已成为近年来凝聚态物理学、材料科学和信息 技术领域重要的研究方向和热点。 上海大学硕士学位论文第一章综述 1 2 稀土锰氧化物的晶体结构和畸变 材料的组成和结构是影响磁电阻效应的关键因素，通过改变组成和结构可以 使磁电阻率发生急剧变化，因而与钙钛矿结构相关的研究也引起了人们的关注。 理想的a b 0 3 ( a = r e 和碱土金属，b = m n ) 钙钛矿具有空间群为p m 3 m 的立方 结构，如：以a 原子为立方晶胞的顶点，则氧和锰原子分别占据面心和体心位 置。还可看到b 原子处于由o 原子所形成的八面体中心。实际的a b 0 3 晶体都 畸变成正交( o r t h o r h o m b i c ) 对称性或菱面体( r h o m b o h e d r a l ) , x 对称性。发生畸变的原 因一方面是由于a 位原子比b 位原子大，使a o 层与b o 层原子之间直径之和 有较大的差别，引起相邻层不匹配所致。更主要是由于锰原子扩中的e 。电子使 o 八面体发生畸变，通称为扬泰勒0 a h n t e l l e r , j a ) 不稳定性畸变。其产生是由于 存在于简并能级中的电子数少于简并度时，晶体会自发地发生畸变，使对称性降 低，这是一种电子一声子相互作用。j t 作用倾向于消除d 轨道的简并度，使电 子的占有能级变得更低，稳定占据d 轨道的电子能级，并导致m n o 八面体的 结构畸变。如图1 1 所示，两重简并的e g 态被分裂成高能量的，矿轨道和低能 量的3 严，轨道，而三重简并的态被分裂成能量较高的x y 轨道和能量较低的 y z ，属轨道【3 】。 3 do r b i t a l 。 = = 曼2 。兰鬻 图1 1 立方晶体场得五重简并轨道被分裂成两个较高能量 的e g 态( x 2 - y 2 ，3 2 2 - ，) 和3 个低哉量的t 2 9 态( 叫，y z , z x ) 左上方图为m n o e 八厩体结构示意图 2 譬姗 上海大学硕士学位论文第一章综述 j t 畸变在晶体内是集体性的，它降低了岛的能量，促进了自旋、电荷和声 子之间的耦合，由此形成的小极化子【4 】使e 。电子发生局域化，它在居里温度以 上占主导地位；双交换作用则使e 。电子退局域，在居里温度以下起主要作用； 这两种过程导致了体系的金属一绝缘体( m e t a l i n s u l a t i n g ，m 0 转变，而外加磁场使 得双交换作用增强，小极化子的形成受到抑制，于是导致了c m r 效应的出现。 因此，j t 作用已被认为是引起锰氧化物中c m r 效应的一个重要原因。 稀土锰氧化物r e m n 0 3 ( r e 为稀土元素1 具有天然的钙钛矿结构，一般情况 下为非导体，并具有反铁磁性。当r e 被二价碱土金属元素部分替代，形成 r e l x t x m n 0 3 仃= c a ，s r , b a ，p b 等) 后，样品的晶体结构和电、磁性会随掺杂量的 增加而产生很大的变化。同时，还出现电荷有序( c i 脚g co r d e r i n g , c o ) 、反铁磁一铁 硪a f m - f m ) 、金属一绝缘( m 掀以及自旋玻璃态等现象，这些都引起了物理学家 的极大兴趣和关注。其实，关于稀土锰氧化物材料的物性变化，早在1 9 5 5 年，w o l l a n 和k o e h l e r 就对l a l 。c a 。m n 0 3 进行了中子散射研究【5 8 】，结果证实该体系中存在 反铁磁和铁磁相，并给出了该体系中可能存在的磁结构，如图1 3 所示，其中 a ，b ，c ，d ，e ，f g 表示七种可能的自旋排列。例如：a 型自旋排列是面内铁磁耦 合，面间呈反铁磁耦合；g 型是面内与面间都为反铁磁耦合。而当x = 0 5 时， 形成具有c 型和e 型磁单胞的混合态，称之为“c e 态”【9 】9 。 - 一i “。 e s 七i j t 迎 一 1 q ， l “ - 0- ) - 1 0) in 图1 2 电子轨道自旋的排列 + 土_ 电 + 广电 r 吣 上海大学硕士学位论文 第一章综述 曲e 伯t 伊呲t 忙 t t o e l 国 臼 觑 c 螂 图1 3 七种白旋排列形成的磁结构 1 3 理论模型和物理机制 1 3 1 “双交换”理论 上世纪五十年代初期由z e n e r 创立，其后由a n d e r s o n 及d eg e n n e s 等人发展 起来的双交换作用理论，为今天解释巨磁电阻效应提供了一条途径。 此模型是以z e n e r 在1 9 5 1 年提出的间接交换模型为基础的，即未充满d 壳 层间通过传导电子发生交换作用，它可以定性地解释一些过渡金属及其合金的磁 性。于是，他将这个模型应用于新发现的混合价亚锰酸盐系统【1 0 】。作为传导电 子的龟在m n 离子间跳跃时保持其自旋方向，由于e g 电子与场电子存在着很强 的洪特耦合，使得m n 离子问的电子的局域自旋必须呈铁磁性排列。反之， 当相邻m n 离子的磁矩呈反铁磁排列时，e 。电子就不能发生跳跃。由此解释了系 统中铁磁性与金属导电性之间的关联，也解释了3 d 电子完全自旋极化的实验结 果。注意到在钙钛矿结构中m n 离子间是被0 2 隔开的，那么，e 。电子如何发生 跳跃呢? z e n e r 由此提出了“双交换模型”，认为在锰氧化物中随着自旋极化态的 产生，载流子可以发生迁移。其具体物理图像是：喽电子从左边的m n 3 + 转移至 0 2 。，同时，0 2 的劲电子转移到右边m n 4 + 的e 。态中，如图1 4 所示。左右相互 交换也可以，并且机率相同，因而在同一个m n 0 面上的m n 离子具有铁磁结构， 4 上海大学硕士学位论文 第一章综述 这是因为m n o 间的直接交换作用j 0 。他还强调，不可将超交换相互作用【1 1 】 与双交换机制混为一谈。m n 3 + o m n “构型本身对于双交换具有简并性，而 k r a m e r s 的超交换相互作用只对于激发态才是简并的，基于m n 4 + o m n 4 + 间的超 交换相互作用将导致芯自旋的反铁磁排列。 图1 4z e n e r 提出的龟电子在m n 3 + 、m d “间的跃迁示意图 而随着研究的深入，发现双交换模型虽然对磁有序、居里温度、电导、晶体结 构等进行解释时取得了一定成功，但无法解释顺磁态下系统的半导体行为。就研 究较多的l a l 。c a x m n 0 3 样品为例，在0 2 x 0 5 的掺杂范围内能够观察到c m r 效应；而0 5 x 1 0 3 - 0 时，倾斜自旋态在一定温度下会转变为反铁磁 态。而当t o 0 5 时，开始形成稳定的a 型反铁磁金属态：而 当x 0 3 时，体系在死以上为绝缘态，温度下降会使体系转变为金属态，这在 窄能带锰氧化物中也是常见的；当工= 0 a 7 时，甚至在低温下也能看到绝缘态。 图1 7l a l 。s r 。m n 0 3 相图，f 1 、c 1 分别代表 铁磁绝缘态和自旋成角绝缘态 2 8 l 9 上海大学硕士学位论文 第一章综述 与宽能隙不同的是，窄带锰氧化物在零场下的危或z m i 较低，且金属一绝缘 转变往往具有一级相变特征( 有明显的热滞效应) 【3 1 】。有些“最佳掺杂”的窄 带甚至在整个温区内都不出现金属一绝缘转变，因_ 为窄带倾向于形成电荷有序的 基态 3 0 1 。u e h a r a 等 2 4 1 利用电子显微镜在低温下在l a s 8 - y p r y c a 3 s m n 0 3o r = 0 3 7 5 ， 0 4 ) 样品中观察到了亚微米尺度的相分离，似乎表明m i 转变的一级相变特征与较 大尺度的相分离有关。 窄带的相分离在各种宏观物理性质上亦有所表现。最近，m a h e n d i r a n 等人2 5 1 报道了外磁场使低温电荷有序相发生阶跃式熔化的过程。图1 8 所显示的就是 p r o , 5 c a o 5 m n o 9 5 c o o 0 5 0 3 多晶样品的m ( - ) 曲线。5k t 的数据显示正常的与电荷有 序熔化相关的一级磁转变。当温度降低到4 6k 以下时，姻曲线上出现跳跃。 当温度降低到3k 时，阚上还出现了两次跳跃。对应这种磁化强度的阶跃，电 阻率测量也显示出数十倍的突变。因此认为，这个现象应该与大尺度的相分离有 关。n d o 5 3 ( s r o 1 7 c a o s 3 ) o 4 5 m - n 0 3 随着温度的降低，首先在2 2 0k 出现电荷有序转变， 然后在1 7 0k 又出现居里转变。低温x 射线衍射和中子衍射分析均表明系统中存 在相分离 2 6 1 。假定高温顺磁相是均质的，那么在电荷有序转变温度以下，样品 一部分转变为电荷有序相，另一部分则保持电荷无序的顺磁绝缘态。当温度进一 步降低到民以下时，顺磁绝缘态转变为铁磁金属态，系统发生绝缘一金属转变。 然而，在而以下的金属态实质上是铁磁金属与电荷有序绝缘体构成的相分离态。 z 霉：尹= 。 b 4 ：6 一 器妻黔纱 学藩墨蔑。 ，。w t i 二o “- “ l 3 5 莎够；觋 m a g n e t i cf i e l d ( t e s l a ) m a g n e t i cf i e l d ( t e s t a ) 图1 8 p r o 5 c a o 5 m n o 9 5 c o o0 5 0 3 多晶样品在不同 温度下磁化强度随磁场的变化 1 0 一n。气墨co豁曙n等。嚣西西至 上海大学硕士学位论文第一章综述 1 8 本文的选题依据及主要内容 综上所述，钙钛矿结构锰氧化物之所以表现出如此丰富的物理现象与其内在 复杂的自旋、轨道和晶格相互作用密切相关，尤其是窄带中的相分离机制对于解 决强关联电子体系中的一些重要问题会产生重要影响。 图l 9p r l 。c a ，m n 0 3 相图，x 在0 3 0 5 时，c o o o 呈反铁磁 绝缘性：x 为0 3 加4 ，呈角反铁磁绝缘态( c a f 0 本文选取p r l 。c a x m n 0 3 作为研究对象，由于其岛电子的能带小于其它锰氧 化物，因而在电荷有序体系中占有特殊地位，也是此类材料中最先发现具有电荷 有序现象的化合物。与l s m o 最大的区别在于p c m o 中不出现铁磁金属相区， 虽然当o 0 5 - = x a 0 3 时具有铁磁长程有序，t c p m a x = 1 2 0k 。该体系在一个很宽的掺 杂浓度范围内( 0 3 工s o 7 5 ) 电荷有序态均能稳定存在【1 8 】。图1 9 是t o m i o k a 等人 给出的相图【1 8 】，注意到p r l 。c a x m n 0 3 体系在零场下不存在稳定的铁磁态，而在 z 为o 1 5 0 3 时存在铁磁绝缘态。当x = 0 3 反铁磁性的电荷有序态十分稳定， 研究表明这种态与c e 态十分相似。磁场对p r l 。c a 。m n 0 3 体系中的c o 态的影响 十分明显。图1 1 0 显示x = 0 3 时，随着磁场的增加低温下p d c 可以减小几个数量 级，而此时金属态逐渐稳定，并且由磁化强度的测量可知此时金属态为铁磁性。 与磁场相似，压力也可导致x = 0 3 样品的c m r 效应 2 3 1 ，如图1 1 1 。这种金属 一绝缘的突然转变在其它掺杂浓度中也会出现。此外，这个体系中还存在自旋玻 1 1 上海大学硕士学位论文第一章综述 璃，磁化