非均质锰基钙钛矿的磁及输运特性研究

学位申请人：    xxxx

学科专业：    材料物理与化学

指导教师：     xxxx 教 授

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摘    要
    锰基钙钛矿氧化物在居里温度附近表现出庞磁电阻效应，这一效应因潜在的应用前景而引起人们的高度重视。但研究发现，实现庞磁电阻需要特斯拉级的磁场，严重制约着其应用价值的体现。与此同时，人们发现，锰基钙钛矿多晶样品表现出另一类磁电阻效应，这类效应在起因上与颗粒边界存在有关，因此属非本征磁电阻效应。非本征磁电阻效应虽在低场下就可得到较高的值，但最大值出现的温度远低于居里温度。本文以偏离化学计量的La2/3TE1/3Mn1-xO3 (TE=Ca, Sr)为主要研究对象，通过Mn的缺少实现非均质的Mn基钙钛矿氧化物，从全新的角度对低场下高的非本征磁电阻效应的获得进行了探讨和研究。.............
　　
关键词：非均质结构，低场磁电阻，锰基钙钛矿，磁及电输运特性

Abstract

  The colossal magnetoresistance (CMR) effect in rare-earth manganese perovskites has aroused considerable interest in scientific studies and potential technological applications. However, CMR effect is not appealing for applications, as it is found on a magnetic field of several tesla for a narrow temperature range near the Tc. Meanwhile, it was found that manganites exhibit another type magnetoresistance (MR) effect, which is concerned with grain boundaries. ........

Keywords: Inhomogeneous Structure, Low Field Magnetoresistance, Manganites Perrovskites, Magnetic and Electrical Transport Properties

目    录
摘  要 I
Abstract III
1   绪  论 1
1. 1 自旋电子学概述 1
1. 2 锰基钙钛矿结构及其输运机理 4
1. 3 锰基钙钛矿的本征磁电阻 22
1. 4 传统的结构磁电阻及锰基钙钛矿中的非本征磁电阻 25
1. 5 本文的选题依据和研究意义 28
1. 6 本章小结 30
2  样品的制备与工艺 31
2. 1 工艺设计思路 32
2. 2 样品设计及制备工艺 32
2. 3 样品制备 36
2. 4 样品微观形貌、晶体结构、磁和电输运性能测试 37
2. 5 本章小结 37
3  高温烧结La2/3Ca1/3Mn1-xO3样品的磁及电输运特性 38
3. 1 样品的制备及其结构 38
3. 2 La2/3Ca1/3Mn1-xO3的磁特性 42
3. 3 La2/3Ca1/3Mn1-xO3的电输运特性 47
3. 4 La2/3Ca1/3Mn1-xO3的磁电阻效应 52
3. 5本章小结 59
4  小颗粒La2/3Ca1/3Mn1-xO3的磁及电输运特性 60
4. 1 基于自旋极化隧穿模型的金属颗粒磁电阻的基本理论 60
4. 2 样品的制备及其结构 63
4. 3 La2/3Ca1/3Mn1-xO3的磁特性 66
4. 4 La2/3Ca1/3Mn1-xO3的电输运及磁电阻特性 68
4. 5 多晶颗粒系统的电输运物理图象 73
4. 6 本章小结 75
5　处理工艺对La2/3Ca1/3Mn1-xO3的磁及电输运特性的影响 76
5. 1 固相反应法制备L2/3Ca1/3Mn1-xO3的磁及电输运特性 76
5. 2 复合法制备L2/3Ca1/3MnO3／x(La, Ca)O的磁及电输运特性 81
5. 3 本章小结 86
6 非均质La2/3Sr1/3MnO3的电输运特性研究 87
6.1 La2/3Sr1/3Mn1-xO3的电输运特性研究 87
6.2 YSZ掺杂La2/3Sr1/3MnO3复合材料的输运特性研究 92
6.3 本章小结 96
7　La2/3Ca1/3Mn1-xO3输运机理的探讨 98
7. 1当T>TIM时，La2/3Ca1/3Mn1-xO3的电输运机理 98
7. 2当T<TIM时，La2/3Ca1/3Mn1-xO3的电输运机理 105
7. 3本章小结 107
8  全文总结 109
致  谢 112
参考文献 113

1  绪     论
1.1自旋电子学概述
我们知道，电子带有电荷的同时还具有自旋，然而传统的电子学中，电子的自旋状态是不予考虑的。人们仅仅在研究材料的磁性能时，从材料外层电子的自旋状态来考虑磁性的强弱及起源等问题。近年来，随着人们在Fe/Cr等磁性材料构成诸如金属／非磁性金属／金属膜中发现巨磁阻效应(GMR)[1],并由此推动高密度信息记录材料的飞速发展，这使得人们对于材料中电子自旋及其对输运特性的影响表现出极大的兴趣。与此同时，以磁储存器为例，其硬盘读写磁头采用的是磁电阻读出技术，目前的硬盘储存密度以大约每九个月翻一番的速度快速发展，寻求具有更高效的大磁电阻效应新材料也极大地推动了电子自旋方面的研究。由此，导致了一个以研究如何将电子自旋和材料的磁特性应用到电子器件的新的学科――磁电子学（也称自旋电子学）的诞生。该学科主要是在介观尺度范围内以电子的自旋极化、自旋相关散射以及自旋弛豫为研究对象，并探索将其应用到电子器件中的新兴交*学科[2]。

1.1.1自旋电子学的有关基本概念
1）自旋极化:
　　对于普通金属, 电子的自旋是简并的,费密面附近的电子态自旋向上和自旋向下也是完全一样的, 因而输运过程中电子流是自旋非极化的。对于铁磁金属来说, 交互作用能与动能的平衡使不同自旋的子带发生交换劈裂, 产生多数自旋子带(全部或绝大部分被电子占据)和少数自旋子带(仅部分被电子占据), 此即自旋极化。极化程度用自旋极化度 P = (N↑-N↓) /(N↑+ N↓)来表征, 其中N↑和N↓分别为自旋向上和自旋向下电子态密度。
2）自旋相关散射:
    电子的散射是所有输运过程的根本环节之一,决定了材料的导电能力。由D rude 定理 , 可以估算出电子在普通非磁金属中的平均自由程为 10 nm 左右。铁磁金属中传导电子受到的散射较强, 平均自由程要小得多。而且不同自旋的传导电子受到的散射大小也不一样, 平均自由程也不一样。1993 年 IBM 公司 Gurney 等人测量了铁、钴、坡莫合金的自旋向上和向下电子的平均自由程[3], 结果是钴:  = 5.5 nm,  = 0.6 nm; 坡莫合金:  = 4.6 nm ,  = 0.6 nm。
3）自旋弛豫：
尽管电子的平均自由程不是太大, 但电子的自旋并不随着输运过程中的频繁碰撞而频繁改变, 在非磁金属中电子经受了许多次散射之后仍基本处于它原来的自旋方向。人们把自旋极化的电子在输运过程中保持它原有的自旋方向所经历的平均时间(或所经过的平均距离)称为自旋弛豫时间τs(自旋扩散长度 。室温下银、金、铜、铝的自旋扩散长度为 1 至 10 微米, 而低温下(40 K) 铝的自旋扩散长度达 0.1 毫米[3]。在非磁金属中不断注入自旋极化的电子可以使非磁金属中产生非平衡磁化。

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