尖晶石和钙钛矿体系中巨磁电阻效应及相关物性研究

论文摘要

强关联电子体系表现出很多吸引人的物理现象。特别是钙钛矿结构和尖晶石结构化合物中，由于它们所表现出的超大磁电阻效应（Colossal Magnetosistance，CMR）在提高磁存储密度以及磁敏感探测元件上具有十分广阔的应用前景，因而受到人们的广泛关注。同时，在这些强关联电子体系中还表现出诸如磁场或光诱导的绝缘体-金属转变、电荷有序、轨道有序、相分离等十分丰富的物理内容。这些物理问题涉及凝聚态物理中的许多基本问题，吸引了物理工作者广泛的关注，成为了当前物理研究中的热点之一。对超大磁电阻效应微观机制的研究，将会对凝聚态物理的许多领域的发展和完善起到重要的推动作用。 在本论文中，我们通过对铬基硫族尖晶石和钙钛矿锰氧化物进行掺杂研究，对CMR材料的物性以及磁阻机制进行了一些探索。部分内容已在国际科技期刊上发表。 本论文分为六章。 第一章简要介绍了凝聚态物理的强关联体系的基本概念，使我们对强关联体系物理有一个大致的了解。 第二章介绍了铬基硫族尖晶石和钙钛矿锰氧化物超大磁电阻材料丰富的物理内容，包括晶体结构，电子结构，磁性质，输运性质，掺杂效应，有序相和相分离等奇特的物理现象。通过本章，我们将了解到铬基硫族尖晶石和钙钛矿锰氧化物的基本物理性质，同时对诸如双交换作用，Jahn-Teller效应等物理概念有所认识，为进入该研究领域作好准备。 第三章研究了Fe位掺In对铬基硫族尖晶石化合物FeCr2S4的物性和磁电阻效应的影响。实验证明In离子掺入Fe位且以二价的形式存在。由于In离子的掺入导致在高于Tc时在顺磁背底里出现越来越明显的磁涨落。磁涨落引起了磁随机势的出现，并导致载流子被磁随机势局域。从而高温区的输运机制从未掺杂样品中的小极化子导电过渡到掺杂样品中的可变程机制。同时，通过研究FeCr2S4单晶样品电子顺磁共振谱的角度依赖，我们成功的解释了多晶样品中复杂的电子顺磁共振行为。 第四章研究了Cr位掺Mn对铬基硫族尖晶石化合物FeCr2S4磁性和磁输运性质的影响。实验证明Mn的磁矩与Cr的磁矩平行。同时，电阻随着掺杂增多降低，而磁电阻效应和居里温度随着掺杂增大，磁电阻效应峰也朝高温移动。这些结果提供了一种可行的既增大尖晶石材料磁电阻效应大小又使其磁电阻峰值温度升高的方法，这对于未来巨磁电阻效应的实际应用是很有帮助的。 第五章通过比较Mn位掺Cr和掺Ga对La1-xSrxMnO3系列样品磁性的影响，证明Cr3+和Mn3+离子之间的超交换作用是铁磁的。这一结果对解决一直以来关于Cr3+和Mn3+之间相互作用的争论是有帮助的。

论文目录

• 摘要
• 英文摘要
• 第一章 引言:凝聚态物理学和强关联电子体系
• 1.1 凝聚态物理学
• 1.2 关联电子体系
• 1.2.1 单电子近似和费米液体理论
• 1.2.2 强关联电子体系和Mott绝缘体
• 1.3 小结
• 第二章 磁电阻效应及相关物性研究进展
• 2.1 CMR效应的发现
• 2.2 晶体结构
• 2.3 磁结构
• 2.4 理论研究
• 2.4.1 锰氧化物的电子结构和双交换作用
• 2.4.2 锰氧化物中的相互作用和常用近似
• 2.4.3 锰氧化物的理论研究
• 2.4.4 铬基硫族尖晶石的电子结构和理论研究
• 2.5 基本物理性质和掺杂效应
• 2.5.1 磁输运性质
• 2.5.2 各种掺杂效应
• 2.6 有序相和相分离
• 2.6.1 电荷有序
• 2.6.2 轨道有序
• 2.6.3 相分离
• 2.7 小结
• 2S₄物性的影响'>第三章 A位掺杂对CMR材料FeCr₂S₄物性的影响
• 3.1 样品制备与晶体结构
• 3.2 离子的价态和占据
• 3.3 磁性
• 3.3.1 宏观磁性
• 3.3.2 微观磁性
• 3.4 输运性质
• 3.5 小结
• 2S₄物性的影响'>第四章 B位掺Mn对CMR材料FeCr₂S₄物性的影响
• 4.1 样品制备与晶体结构
• 4.2 磁性
• 4.3 磁输运性质
• 4.4 小结
• 3+-Cr³⁺相互作用研究'>第五章 锰氧化物中Mn³⁺-Cr³⁺相互作用研究
• 5.1 样品制备与晶体结构
• 5.2 结果和讨论
• 5.3 小结
• 1-xCr_xO₃体系中的电荷序、自旋序和复杂的磁性'>第六章 （Bi,Ca）Mn_1-xCr_xO₃体系中的电荷序、自旋序和复杂的磁性
• 6.1 样品制备与晶体结构
• 6.2 实验结果
• 6.2.1 电阻
• 6.2.2 宏观磁性
• 6.2.3 微观磁性
• 6.3 讨论
• 6.3.1 电荷有序的“融化”和“崩溃”
• 6.3.2 复杂的磁性质
• 6.3.3 从C型反铁磁到G型反铁磁
• 6.4 小结
• 参考文献
• 攻读博士学位期间的研究成果和获奖情况
• 致谢