ABO3锰氧化物中电荷有序/反铁磁耦合调控研究

摘要

ABO3锰氧化物中存在自旋、轨道、晶格和电荷等多种自由度的耦合作用，因而具有相分离、电荷有序和亚磁相变等丰富的物理性质。锰位替代和外加磁场是调节锰氧化物性质的两种常用方法。La0.5Sr0.5MnO3和Nd0.5Sr0.5MnO3体系在低温下存在铁磁、电荷有序和反铁磁等多相共存的相分离现象。脉冲强磁场的超高磁场和超快扫场速率等极端条件为研究强反铁磁耦合材料的磁相变及磁相变的动力学行为提供了实验平台。本文基于脉冲强磁场磁化测量平台，系统研究了离子替换、温度和外加磁场对La0.5Sr0.5MnO3和Nd0.5Sr0.5MnO3体系性质的调控机制。主要研究内容如下：
　　一、简单分析了脉冲强磁场在科学研究中的作用；从晶体结构、理论模型和研究现状等方面介绍了锰氧化物的电、磁性质，特别对相分离体系中的类马氏体相变行为、电荷有序相的调制和自发交换偏置效应产生的机制等进行了概述。
　　二、利用固相法和溶胶-凝胶法制备了Ti、Al、Cr、Co和Cu掺杂的La0.5Sr0.5Mn1-xRxO3和Nd0.5Sr0.5Mn1-xRxO3系列样品，并介绍了脉冲强磁场下的磁化测量系统和相关的磁化测量方案。
　　三、选取非磁性Ti4+、Al3+和磁性Cr3+离子掺杂，利用稳态磁场和脉冲强磁场详细研究了掺杂和外加磁场对La0.5Sr0.5Mn1-xRxO3体系性质的调控。实验发现：（1）Ti4+离子掺杂使x=0.15~0.2体系在3K以下表现出与Ti4+离子掺杂诱导的局域铁磁畴有关的磁化跳变现象。磁化跳变现象与冷却磁场和磁场扫描速率有关，具有类马氏体相变的特性。（2）非磁性的Al3+离子不参与磁交换作用，但Al3+离子替代Mn3+离子部分破坏了Mn3+-O2--Mn4+铁磁双交换作用，导致体系的反铁磁耦合增强。在50T的脉冲强磁场作用下，观测到磁场驱动的电荷有序/反铁磁相到铁磁相的陡峭的亚磁相变，把La0.5Sr0.5Mn1-xAlxO3体系的磁相图扩展到高场范围。（3）掺杂Cr3+离子与近邻锰离子之间的反铁磁耦合导致Cr3+离子掺杂的“之”字链内的Mn3+和Mn4+离子的自旋重新取向，掺杂Cr3+离子周围产生铁磁团簇。随着Cr3+离子浓度增加，Cr3+-Mn4+、Mn4+-Mn4+和Cr3+-Cr3+反铁磁耦合增强，居里温度降低。
　　四、研究了Cu掺杂和磁场对Nd0.5Sr0.5MnO3体系中电荷有序/反铁磁耦合的调控。实验发现掺杂Cu离子以Cu2+和Cu3+混合价形式存在，导致体系中的Mn4+离子增多，Mn3+/Mn4+比例减小，Mn3+-O2?-Mn4+铁磁双交换作用减弱。参与双交换作用的Mn3+离子的eg电子局域在Cu2+/Cu3+离子周围，电子输运机制符合小极化子模型。在较高的磁场作用下，系统出现磁场诱导的电荷有序/反铁磁相的崩塌行为，扩展了Nd0.5Sr0.5Mn1-xCuxO3（0≤x≤0.15）体系的磁相图。
　　五、研究了La0.5Sr0.5Mn1-xCoxO3(x=0.2)中Co掺杂诱导的自发交换偏置效应，实验发现该效应与Co掺杂诱导的团簇-玻璃态有关。自发交换偏置效应随着初始磁化磁场的增加和测量温度的升高，从正向自发交换偏置效应转变成负向自发交换偏置效应。

目录

声明

1 绪论

1.1脉冲强磁场在科学研究中的重要意义

1.2 ABO3锰氧化物的物理结构

1.3 ABO3锰氧化物的电磁特性

1.4 ABO3锰氧化物的相变行为

1.5 ABO3锰氧化物的低场相图

1.6 本论文的选题依据

2 样品制备、结构分析及物性测量

2.1 固相反应法

2.2 溶胶-凝胶法

2.3 结构分析与物性测量

2.4 脉冲强磁场下磁化测量系统

2.5 本章小结

3 La0.5Sr0.5Mn1-xRxO3电荷有序/反铁磁耦合调控及其动力学行为研究

3.1 非磁性Ti4+离子掺杂诱导类马氏体相变及其动力学行为研究

3.2 非磁性Al3+掺杂及强磁场诱导亚磁相变研究

3.3 磁性Cr3+掺杂诱导铁磁团簇及磁卡性质研究

3.4 本章小结

4 Cu掺杂对Nd0.5Sr0.5Mn1-xCuxO3相变调制及高场相图

4.1 微结构分析

4.2 磁化和电输运性质

4.3 强磁场诱导亚磁相变

4.4 本章小结

5 La0.5Sr0.5Mn0.8Co0.2O3中磁场调控界面反铁磁耦合与自发交换偏置

5.1 物相表征

5.2 磁化和交流磁化率测量

5.3等温磁化测量及自发交换偏置效应

5.4 本章小结

6 全文总结与工作展望

致谢

参考文献

附录 博士期间发表文章清单