层状钙钛矿结构化合物的合成、电性和磁性的研究

近年来，随着金属多层膜，磁隧道结和钙钦矿锰氧化物等材料中磁阻现象的发现，以研究磁阻效应的机理和应用为目的的磁电子学迅速发展。这其中钙钦矿结构的稀土锰氧化物以其超大的磁阻值和丰富的物理内涵而备受瞩目。尽管人们对此已做了大量的工作，但是对这类氧化物的深入认识直至超大磁电阻效应物理机制的合理解释仍需做艰苦细致的努力。本论文选择层状钙钦矿稀土锰氧化物作为研究对象，系统地研究了A位，B位的变化和B位原子之间的相互作用对氧化物的结构、磁性和磁阻性质的影响。希望得到钙钦矿中磁、电性质和磁阻与结构之间的关系，能对该系列化合物中电、磁性质的变化规律和相互作用机理作出合理的解释。基于LaSr2Mn2O7的结构特殊性，我们选择了它作为母体化合物。并通过过渡金属离子Cr，Ti，Ni，Fe对Mn离子取代来研究B位原子的变化对性质的影响。结果发现，Cr3＋因为与Mn4＋具有相同的电子形态而能够参与双交换作用，使掺杂Cr3＋的系列样品的磁化强度随cr含量的增加而增加。而掺杂讨＋，Ni2＋，Fe3＋离子的化合物虽然与Mn离子之间的相互作用各不相同，但引起的磁性变化却是相同的。这四种元素的掺杂都提高了体系的磁阻和电阻率。通过对这几种过渡金属取代的比较，发现在LaS2Mn2O7中对Mn离子进行取代的离子和Mn离子之间的交换作用对磁性质的影响并不起主要作用，掺杂引起的主要作用是致使Mn位的无序度增加和对双交换作用的稀释和阻碍。值得注意的是每个系列样品中都有一个样品的磁阻在高温时出现较大的正值，且随着温度的降低转变为负值。例如，在Fe掺杂的系列样品中，只有x＝0.2的样品表现出正磁阻，且MR在28OK时达到74％。这可能是因为掺杂导致的结构变化引起的。这种正磁阻对材料的应用意义重大。电荷有序对磁阻材料是一种很重要的状态，为了提高LasrZMn2O7的电荷有序温度，我们选择了具有孤对电子的Bi3+来取代Sr2+。结果发现，单相样品只能持续到x≤0.2。样品的电荷有序温度并没有象预想的那样有所提高。这是因为体系的二维结构抑止了Bi3＋离子的作用，同时由于体系中Bi3＋的含量较少没有达到提高电荷有序温度的程度。但Tco降低的程度相对于其它离子的取代效果（如Gd）要低。目前n=3的层状钙钦矿研究较少，但是由于该化合物具有结构可变性和理论上可以解释磁转换机理，我们对（La，ca）4kMn3O10进行了深入的研究。在La3-3xCa1＋3xMn3O10（0.5≤x≤1.0）中随La3＋含量的减少，该系列化合物经历了从铁磁性到顺磁性再到反铁磁性的转变，同时在磁阻上也经历了由负磁阻（x＝0.5～0.7）到正磁阻（x=0.8-1.0）的转变。根据磁性和电性的变化规律，我们认为这种正负磁阻的转变是由于体系中超交换和双交换作用的相互竞争引起的。La3＋含量多时，Mn3十离子含量较多，双交换作用占主导地位，产生负磁阻；随着Mn3+离子含量的减少，双交换作用逐渐减弱，Mn4+离子之间的反铁磁性超交换作用逐渐增强，产生了正磁阻。在低掺杂浓度时LaxCa4-xMn3O10（x＝0-0.9）经历了顺磁性到反铁磁性的转变，为了了解其磁性变化过程，我们进一步研究了富含Mn4＋的这一区间。发现磁化强度在x≤0.2的范围内随x增加而增强，在高于0.2的掺杂范围后随x的增加而逐渐降低。这是因为这一区间的磁结构由基态时的G型-AFM向x＝0.9时的C型-AFM的转变。而且这种转变与载流子浓度密切相关。