【摘 要】
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作为一种强关联电子材料,钙钛矿锰氧化物独特的物理性质使其在凝聚态物理领域具有重要的研究意义。同时,以La1-xCaxMn O3(LCMO)为代表的钙钛矿锰氧化物具有剧烈的金属绝缘体转变与巨大的庞磁阻效应,使其在磁存储、红外探测、磁感计等领域具有着重要的应用前景。对于LCMO材料体系而言,其极高的电阻温度系数(TCR)以及磁阻(MR)性能主要与其独特的电输运性质有关。双交换作用,Jahn-Telle
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作为一种强关联电子材料,钙钛矿锰氧化物独特的物理性质使其在凝聚态物理领域具有重要的研究意义。同时,以La1-xCaxMn O3(LCMO)为代表的钙钛矿锰氧化物具有剧烈的金属绝缘体转变与巨大的庞磁阻效应,使其在磁存储、红外探测、磁感计等领域具有着重要的应用前景。对于LCMO材料体系而言,其极高的电阻温度系数(TCR)以及磁阻(MR)性能主要与其独特的电输运性质有关。双交换作用,Jahn-Teller畸变等一系列理论很好的对LCMO独特的磁电输运性质进行了解释。元素掺杂可以有效的影响材料的磁电输运性能。系统的探究元素掺杂对LCMO磁电输运的影响,分析理解掺杂引起的LCMO材料的本征变化与其磁电输运性之间的关系,可以在组分设计阶段,为制备具有高TCR,MR性能的LCMO材料提供帮助。本文以La0.7Ca0.3Mn O3为基础组分,选择了六种镧系元素对其进行了元素掺杂,得到了一系列La0.7-xRExCa0.3Mn O3(RE=Nd,Sm,Eu,Gd,Dy,Er)陶瓷样品。以元素掺杂引起的A位平均离子半径(<r A>)变化为切入点,结合小极化子输运模型,变程跳跃模型与相分离机制,对样品的金属绝缘体转变温度(TMI),TCR与MR性能的主要影响因素进行了分析。其中,La0.7Ca0.3Mn O3基础组分的TMI为262.2 K、峰值TCR(TCRpeak)为38.9%·K-1,峰值MR(MRpeak)为65.8%.分析结果表明,当掺杂元素相同时,样品的TMI随着<r A>的降低而逐渐降低,且这两者之间存在线性关系。当掺杂元素不同时,这两者之间的线性关系具有不同的斜率,且斜率随着掺杂元素离子半径的减小,逐渐增大。结合双交换作用与Jahn-Teller畸变理论,本文尝试性的提出了一种针对掺杂LCMO材料体系,基于掺杂元素离子半径与元素掺杂比例计算样品金属绝缘体转变温度的方法。对于陶瓷样品的TCR性能,其变化规律较为复杂。对于掺杂元素相同的系列样品,随着元素掺杂比例的减小,TCR整体呈现出先增大后减小的趋势。其中,La0.685Er0.015Ca0.3Mn O3陶瓷的TCRpeak值为系列样品中最大的,达到了47.1%·K-1。对于掺杂元素不同的系列样品,其主要的影响因素为铁磁相与绝缘相的电阻值。当<r A>较大时,样品的TCR性能主要受到绝缘相电阻值的影响;<r A>较小时,样品的TCR性能主要受到铁磁相电阻值的影响。样品的MR性能随着<r A>的减小主要呈现出不断增加的趋势。La0.625Dy0.075Ca0.3Mn O3陶瓷样品具有系列样品中最大的MRpeak值,达到了95.8%,较基础样品提高了30%。通过对不同磁场下样品的电阻率温度曲线进行拟合,发现外加磁场可以有效的增加样品的费米面态密度,降低极化子活化能,促进相邻原子的电子自旋夹角减小。对于掺杂LCMO陶瓷,<r A>越小,电子自旋夹角越大,极化子活化能越低,电子跃迁越困难,电阻率越高。在一定的范围内,相同的磁场条件下磁场对<r A>较小的样品具有更高的影响,从而使样品的电阻率下降的更多,MR性能更大。总之,镧系元素的掺杂在一定程度上可以有效的提高LCMO陶瓷的TCR与MR性能,并且这些性能上的改变与<r A>的变化是相关的。本文以<r A>为切入点,系统的探究了A位元素掺杂与LCMO陶瓷磁电输运性能之间的关系,为制备高TCR、MR性能的材料提供了帮助。
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