第二相引入對龐磁電阻材料磁和電子輸運性質的影響.pdf

1、近年來，在形如Ln1-xTxMnO3（Ln 是稀土元素，T 是二價陽離子）的錳基鈣鈦礦多晶材料中的顆粒邊界效應引起人們極大的研究興趣。早期人們在這類材料中發(fā)現龐磁電阻效應（CMR），但CMR 僅僅出現在居里溫度（Tc）附近狹窄的溫度范圍，而且需要幾個特斯拉的高磁場才可以實現，因而限制了它的應用。最近，人們發(fā)現在錳基鈣鈦礦多晶材料中顆粒邊界效應劇烈地影響其物理性能，最吸引人的特征就是在很低的磁場下就可以獲得很高的磁電阻，而且低場磁電阻出現

2、在整個絕緣體金屬轉變溫度(Tp)以下寬的溫度范圍。一般認為，這種低場磁電阻是由于載流子通過顆粒邊界的能量勢壘發(fā)生自旋極化隧穿而引起的。顆粒邊界的無序結構是載流子能量勢壘的主要原因，因此對顆粒邊界進行優(yōu)化處理可以改善這類磁電阻，最有效的方法就是引入第二相形成錳基鈣鈦礦顆粒復合材料，然而在這類復合材料中增強的磁電阻往往發(fā)生在更低的溫區(qū)，這是目前需解決的主要問題。 本文以錳基鈣鈦礦氧化物La0.67T0.33MnO3(T=Ca, Sr

3、)的顆粒復合系統為研究對象，通過采取不同的工藝制備方法和選取不同的第二相材料，討論了第二相的引入對復合樣品的結構、輸運性質的影響。 利用交替沉積的方法，成功制備了La2/3Sr1/3MnO3(LSMO)/CuO 和LSMO/Al2O3 多層顆粒膜。研究表明多層顆粒膜層數和第二相的含量對材料的電輸運和磁電阻有很大的影響。對單層的純LSMO 薄膜，金屬絕緣體轉變溫度Tp＝236K，最大的磁電阻MR＝23％；對40 層的LSMO/Cu

4、O 多層顆粒膜，Tp 降到174K，但最大MR 增加到31％。和CuO 相比Al2O3 的引入使得增加的磁電阻發(fā)生在更高的溫度。根據實驗結果和理論計算，提出通過選擇禁帶寬度較高的絕緣體氧化物作為CMR氧化物復合體系中的第二相，可以提高增強的磁電阻發(fā)生的溫度范圍。 采用水浴包覆的方法設計制備了La0.67Ca0.33Mn3(LCMO)/MgO 顆粒復合體系，發(fā)現和純LCMO 相比，MgO 的引入使得復合樣品的低場磁電阻得以顯著提高

5、，在0.3T 的外磁場下，純LCMO 的最大零場磁電阻值為8％，而MgO 含量x＝0.07 的復合樣品的零場磁電阻達到28％。另外，發(fā)現LCMO 原粉的顆粒尺寸對復合體系電輸運和磁電阻也有較大的影響。結合對樣品微觀形貌的分析，研究認為復合樣品中的這些輸運性質和LCMO 顆粒之間的聯接性有關，在復合樣品中觀察到的兩級磁轉變現象進一步證明了這一點。然而，和其它LCMO 復合系統一樣，增強的磁電阻僅僅發(fā)生在Tp 以下更低的溫區(qū)。 鐵磁

6、和鐵電氧化物復合系統中強烈的磁電耦合效應為設計錳氧化物顆粒復合系統提供了一個新的思路。在低溫900℃燒結的LCMO/BaTiO3 復合體系樣品中觀察到不同于一般的LCMO 復合體系的實驗現象，隨BaTiO3 含量x 的增加，樣品的電阻率降低，Tp 升高，從純LCMO 的180K 增加到x＝0.3 復合樣品的225K，這使得在復合樣品中低場磁電阻和高場磁電阻在整個溫區(qū)都有所增強。用鐵磁和鐵電之間的磁電耦合效應可以對這些實驗現象加以解釋。然

7、而對高溫1200℃燒結的樣品由于BaTiO3 進入LCMO 顆粒表面的晶格，其電輸運和磁電阻特性和普通的LCMO 復合系統相似。對中溫1100℃和1000℃燒結的樣品，R-T 曲線和MR-T 曲線都出現兩個峰，這是由于較高的燒結溫度或較高的BaTiO3 含量都使得部分的BaTiO3 進入到顆粒表面的晶格，在這種情況下，顆粒復合系統中兩類顆粒邊界共存。 另外，研究了其它絕緣體氧化物作為第二相的錳氧化物顆粒復合系統。在LSMO/Ce

8、O2 復合體系中，觀察到樣品的電阻率隨溫度降低的變化關系為：) ) ( exp( 2p Tp T T ? ? = αρρ，其中α是一個常數，對所有不同CeO2 含量的LSMO/CeO2復合樣品保持不變。基于表面磁化機理，對這一現象進行了初步的解釋。對LCMO/SrO 復合體系，和LCMO/MgO 體系比較，Tp 下降的較少，R-T 曲線的峰也較為平緩，這使得增強的磁電阻發(fā)生在較高的溫區(qū)，基于結構分析和磁性質的測量，我們認為這些不同是由于