La-Sr-Mn-O摻雜及復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和磁電輸運(yùn)性質(zhì)研究.pdf

1、錳氧化物是一種重要的功能材料，從1950年到現(xiàn)在對(duì)這種材料的研究一直引起研究人員的強(qiáng)烈興趣。從1950年到1990年主要集中在二價(jià)離子摻雜的性能上，主要研究它的鐵磁金屬性能，在二價(jià)離子摻雜濃度為1/3時(shí)，鐵磁金屬性能最好，并提出了雙交換模型對(duì)此性能作了深入闡述。從1990年開始到現(xiàn)在在錳氧化物中發(fā)現(xiàn)了巨磁電阻效應(yīng)、晶界效應(yīng)和磁熱效應(yīng)再次掀起了這種材料的研究熱潮。這種材料有望在硬盤讀出磁頭和室溫磁制冷等領(lǐng)域顯示巨大應(yīng)用前景。 La

2、2/3Sr1/3MnO3(LSMO)化合物的鐵磁金屬一順磁絕緣的居里轉(zhuǎn)變溫度在360K左右，高于室溫，是一種非常有希望能走向應(yīng)用的材料。但目前這種材料面對(duì)許多技術(shù)難題，室溫的磁電阻效應(yīng)太?。凰枰耐饧哟艌?chǎng)過大，達(dá)到幾個(gè)特斯拉；低場(chǎng)下的磁電阻值很低，對(duì)低場(chǎng)的磁電輸運(yùn)機(jī)理還不是很深入。本論文對(duì)二價(jià)Zn離子摻雜取代La位的結(jié)構(gòu)和磁電輸運(yùn)性能進(jìn)行了研究。在La2/3Sr1/3MnO3化合物基體中引入不同功能的材料，例如鐵電BaTiO3，不同禁

3、帶寬度的半導(dǎo)體(CuO，ZnO，Al2O3)，具有鐵磁絕緣性能的鐵氧體等等，研究其不同功能的材料的耦合效應(yīng)及對(duì)自旋相關(guān)散射和隧穿效應(yīng)的影響，得到以下有意義的結(jié)果并且對(duì)其中機(jī)理作了深入闡述： 1、ZnMnO3具有尖晶石型結(jié)構(gòu)，用Zn部分取代La位，結(jié)果表明La1-xZnxMnO3具有鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)，但在Zn摻雜濃度為1/3時(shí)，電阻率最小，磁電阻值很低。如果固定Mn3+/Mn4+比為2：1，即保持La位濃度不變，而用Zn2+部分取代S

4、r2+，研究發(fā)現(xiàn)替代后保持鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)，居里溫度下降，居里轉(zhuǎn)變點(diǎn)附近的磁電阻值升高。這說明Zn2+取代Sr2+是提高室溫磁電阻的重要手段。 2、在La2/3Sr1/3MnO3(LSMO)化合物中引入不同濃度的BaTiO3(BTO)，研究結(jié)果表明：在復(fù)合材料中存在LSMO/LSMO和LSMO/BTO/LSMO兩種晶界。隨著摻雜濃度升高，電阻率增大，在5mol％摻雜濃度，電阻率升高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。如果制備BaLa(0.35mol％)T

5、iO3，部分Ba被三價(jià)La取代，從而降低了晶界勢(shì)壘，結(jié)果電阻率降低了一半。這些結(jié)果表明LSMO/BTO/LSMO結(jié)構(gòu)主導(dǎo)著LSMO/BTO復(fù)合材料的磁電輸運(yùn)性質(zhì)。在5T磁場(chǎng)下，低溫下電阻率下降很大是由于自旋電子隧穿絕緣晶界引起，而高溫下電阻率在5T磁場(chǎng)下降低很少是由于 高溫下自旋電子熱隧穿絕緣晶界引起。摻BTO的磁電阻隨溫度變化表現(xiàn)出與LSMO化合物不同的行為。磁電阻隨溫度增加而單調(diào)降低。隨摻雜濃度增大，低溫下的磁電阻增大而高溫

6、下磁電阻降低。磁電阻隨磁場(chǎng)關(guān)系變化表明在低溫下?lián)诫s濃度增大，低場(chǎng)下的磁電阻降低，而高磁場(chǎng)下的磁電阻增大。 3、用水熱法制備了BaTiO3粉體。研究表明Ba/Ti比和水熱反應(yīng)的堿性對(duì)水熱反應(yīng)的產(chǎn)物有很大影響。Ba/Ti比越大，堿性越強(qiáng)越有利于水熱反應(yīng)。用這種反應(yīng)制備的粉末摻入到LSMO中，發(fā)現(xiàn)摻雜濃度為20％時(shí)，室溫電阻率依然很小。 4、在LSMO中摻入相同摩爾比33mol％不同禁帶寬度的CuO、ZnO和Al2O3氧化物。

7、研究發(fā)現(xiàn)摻入CuO和ZnO的復(fù)合材料電阻率隨溫度變化出現(xiàn)了兩個(gè)峰，高溫的電阻率最大值與LSMO的最大電阻率接近，且電阻率峰所對(duì)應(yīng)的溫度與LSMO的居里點(diǎn)相近。低溫的電阻率峰比較寬，在～255K左右。而LSMO/0.33Al2O3復(fù)合材料的電阻率在200-400K隨溫度升高而下降。在200K的電阻率比LSMO化合物的電阻率增大兩個(gè)數(shù)量級(jí)。LSMO/0.33CuO和LSMO/0.33ZnO的磁電阻隨溫度的變化與LSMO化合物基本相似，而LS

8、MO/0.33Al2O3的磁電阻隨溫度的升高而下降。這些結(jié)果表明LSMO/第二相/LSMO結(jié)構(gòu)的勢(shì)壘決定著復(fù)合材料的磁電輸運(yùn)性質(zhì)。ZnO雖然室溫下的禁帶寬度為3.30ev，但在燒結(jié)時(shí)容易分解產(chǎn)生Zn間隙和O空位，CuO的禁帶寬度比較低(1.1ev)，使得載流子可以越過勢(shì)壘而導(dǎo)電，高溫下第二相是導(dǎo)通的。而Al2O3禁帶寬度比較高，所以對(duì)載流子的勢(shì)壘散射較強(qiáng)。在5T高磁場(chǎng)下載流子在低溫下可以自旋極化隧穿絕緣相，而高溫下載流子熱隧穿絕緣相導(dǎo)致

9、磁電阻很小。 5、LSMO具有軟磁性，在LSMO中摻入Mn0.5Zn0.5Fe2O4(MZF)軟磁絕緣和BaO.6Fe2O3(BaM)硬磁絕緣相，一方面磁性晶粒之間存在磁性耦合，另一方面存在自旋極化的散射和隧穿效應(yīng)，磁性耦合必然對(duì)這種自旋極化散射和隧穿效應(yīng)產(chǎn)生影響。MZF加入到LSMO材料中磁化強(qiáng)度降低，同時(shí)電阻率增大，在5T高磁場(chǎng)下低溫電阻率降低很大。磁電阻隨溫度升高而降低。BaM摻入到LSMO中后，復(fù)合材料的磁性表現(xiàn)為硬磁性