《LSMO介绍及理论依据分析》2600字

LSMO介绍及理论依据分析综述1.1概述上一章节中，我们简单的介绍了磁电阻，利用了微电子学的参数以及对磁电阻的分类，充分的引出了本论文的论点。同时，对本论文的文章主旨内容进行了一个主要的阐述。磁电阻其本质同样来源于材料。我们对于磁性传感器的研究，首先要对磁电阻要有一个比较清晰的认识，因此接下里我们主要对LSMO进行结构方面的讲解，通过对LSMO的介绍，给各位清晰的了解到半金属锰氧化物跟磁电阻的内在联系，紧接着对LSMO晶体结构的介绍，很好的解释LSMO参杂情况下,LSMO是个异常复杂的强关联电子系统，很难进行精确、完全的电子结构计算。因此，通过计算得出外磁场对LSMO磁电阻进行宏观的调控，是非常难得。此外，我们还基于微电子学范围内提供了磁电阻的理论依据，为接下来推导外磁场与磁电阻的函数关系式奠定了基础。1.2微磁学概念微磁学主要研究在有限大小的铁磁体中自旋排布的方法。微磁学主要描述的是铁磁体在微观尺度下磁化的过程[1]。当所观察的物质足够大时，该尺度下的磁学特性是连续的；当所观察的物质足够小时，该尺度下可以观察到磁畴的结构。通过以下的微磁学的基础内容以及微磁学的基本理论，在下一章中推导磁电阻做铺垫。1.1.1静磁能 静磁能是指在有限大小的铁磁体内，在外磁场的条件下，磁矩与外磁场的相互作用，又称塞满曼[2]。 （1.1）其中M表示在外磁场下，磁矩的磁化强度，H表示外磁场，表示在真空条件下，磁体的磁导率。1.1.2退磁能退磁能是指在有限大小的铁磁体内的磁畴，因自身表面的磁极引起的能量。假设一个沿直径方向自发磁化强度均匀饱和的半径r,厚度为d的圆盘形状铁磁体。则在这个圆盘的铁磁体边缘会出现N极和S极，即会产生自发磁化强度Ms。那么退磁能的表达为[2]： （1.2）其中Ms主要表示自发磁化强度，πr2d表示圆盘的体积。1.1.3各向异性能 各向异性能是指在饱和磁化强度的磁体内部磁矩选取方向上的不同，引起的能量上的改变。各向以性能的能量表达方程为： （1.3）其中θ是磁矩与易磁化轴的夹角,Hk是各向异性等效磁场。1.1.4交换能1928年，海森堡对铁磁体自发磁化现象进行研究，发现在原子之间可以发生直接的交换作用，用方程可以表示为： （1.4）其中Si与Sj分别是自旋角动量的运算符，Jij是原子交换积分。1.1.5LLG方程 LLG方程主要描述了铁磁体磁矩的旋进过程。由吉尔伯特对前人研究者的公式的变化而得到的。LLG方程为[2]： （1.5）其中α表示阻尼系数，Heff表示总磁场。1.3LSMO的介绍LSMO是一种钙钛矿锰氧化物，通过掺杂了Sr4+离子制成的一种稀土盐。其典型的代表是La0.7Sr0.3MnO3。然而制备La0.7Sr0.3MnO3并不容易，Sr4+离子与Mn4+离子在溶液中掺杂比例不容易接近1:1，很难形成稳定的固态样品。因此，使用特殊的化学制备方案，来合成稳定的固态结构。La0.7Sr0.3MnO3的磁电阻效应是在20世纪80年代末后被慢慢的发现，开始时是巴西学者BaiBich在多层膜发现的巨磁电阻效应，引发了巨大的影响。随后是90年代末，在锰氧化物的薄膜中发现了磁电阻效应。后来越来越来越多的人投入到对锰氧化物的研究中，把锰氧化物该材料推到了研究的热点中来。不仅如此，La0.7Sr0.3MnO3还具备诸多的优点。在外磁场中，La0.7Sr0.3MnO3有着较宽的铁磁区域、高自旋极化率、高居里温度以及优异的导电性能。正常情况下，La0.7Sr0.3MnO3的自旋极化率可以接近1，而居里温度可以达到室温。此外，La0.7Sr0.3MnO3已经在诸多领域被使用。比如在电极材料领域中，La0.7Sr0.3MnO3因为它接近100%的自旋极化率，所以被用作电源的电极材料，来提供自旋极化电流。于此同时，H.Y.Hwang和他的团队发现了多晶La0.7Sr0.3MnO3在低外磁场的条件下，La0.7Sr0.3MnO3的磁电阻效应主要取决晶粒的自旋极化的输运电子，解决了多晶La0.7Sr0.3MnO3室温下获取高磁电阻需要外磁场的限制要求，推动La0.7Sr0.3MnO3磁电阻效应发展。随后，在1969年Morrish也在锰氧化物的单晶样品上得到了20%的负磁阻效应。1.4LSMO的物理性质图2-1La0.7Sr0.3MnO3晶体的结构[1] La0.7Sr0.3MnO3的晶体结构是畸变的钙钛矿结，其中白色球表示氧原子。灰色球表示La/Sr，中心黑色表示Mn原子。灰色的三价离子会与氧离子形成离子键。对于过渡金属元素锰原子与氧离子形成离子键，同时锰原子与氧原子形成共价键，6个氧原子围绕着锰原子构成了一个八面体。经过实验的数据得到Mn-O的键长为0.1954nm，Mn-O-Mn的键角为166.4°[1]。La1-xSrxMnO3中的La+3离子会被Sr+2离子取代，Mn+3离子价变成了Mn+（3+x）离子，通过。通过对LSMO中离子模型的分析可得到对La0.7Sr0.3MnO3来说，Mn4+离子与Mn3+离子的比例为1/3:2/3，La0.7Sr0.3MnO3分子量为224.9176g/mol。1.5双交换理论1951年，Zener提出了一个双交换模型，可以解释掺杂前后磁性从反铁磁性到铁磁性，从非导体到导体的转变。如图1.2，LSMO中存在Mn3+离子和Sr4+离子。我们会对LSMO进行掺杂，使得LSMO处在一个稳定的结构中。在LSMO中，02-能量比较高，比较活跃。02-离子会和Mn4+形成一个稳定的结构，与此同时，Mn3+离子的内的电子转移到02-轨道内，而Mn3+会变成Mn4+离子，成为自由移动的离子。此外电子移动受洪特规则的制约，图1.2可以形象地演示出电子跳跃磁有序排列这一跳跃过程[14]。图2-2双交换作用下电子输运演变[15]1.6外斯分子场理论“外斯分子场”的理论于1907年是外斯在前人微磁学的理论基础上继续提出一套理论[1]。外斯设定在磁畴内部的原子磁矩方向是平行，此时磁体的自发磁化强度为Ms。在不加入外磁场的情况下，磁畴不受磁场干扰，磁畴的方向呈现自由方向，各自不相同，在不同的磁畴与磁畴之间他们的磁畴的磁化方向会互相的抵消，此时磁畴不会呈现磁性。当通入了磁场后，磁体内磁畴的磁化方向会与磁场平行，且众多磁畴与磁畴间的磁化方向也互相平行，整个磁体的磁性会从原来的非磁性转变成铁磁性[1]。图2-3铁磁体磁化过程[2]如图2-3（a）可见，当通入磁场时，磁体内的磁畴被畴壁分割成了两个大小相同，磁化方向完全相反的磁畴，其饱和磁化强度为零。当加入外磁场时2-3（b）可见，磁畴的磁化方向与磁场的夹角会逐渐变小，磁体内的畴壁会随着磁场的增加向下移动，直到畴壁完全的消失在磁体外。随着磁场的不断增大，如图2-3（c）可见，磁畴的自发磁化方向会旋转至磁场的方向，直到磁体的磁化达到饱和状态。如图2-3（d），所有的磁畴都达到了磁化饱和状态，磁体内的磁畴都与磁场完全平行，磁体的磁化方向就是磁场方向[2]。1.7技术磁化理论技术磁化指的是在外部磁场的作用下，磁体内的磁畴发生旋转或者位移的一个宏观的过程。在没有外磁场的作用下，磁体呈现了磁中性，内部的磁畴方向混乱无章，为了更