几种ABO3结构镧锰氧化物的结合能和材料中的离子化合价问题研究

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因为具有特殊的磁学和电学性质,例如庞磁电阻(colossal magnetoresistance, CMR)效应,掺杂的锰氧化物R1-xMxMnO3 (R= La, Nd, Pr; M=Ca, Sr, Ba等)引起了人们的广泛关注。这些锰氧化物具有ABO3型类钙钛矿结构,一般来说,R和M在A位,Mn在B位。迄今为止,已经得到许多有关的理论和实验研究成果,然而,在这个领域中还有一些基本的物理问题不能解释。另一方面,ABO3型类钙钛矿结构是一种最简单的多原子化合物,对于现有研究数据的进一步探讨,可能导致对于多原子化合物相关现象新的解释。本文将对两个基本的物理问题给出解释:第一,ABO3型类钙钛矿结构掺杂锰氧化物中,不同化合价阳离子数目比的估算。例如,在La1-xCaxMnO3材料中,La和Ca分别为3价和2价。因而这种材料可以表示为La3+1-xCa2+xMn3+1-xMn4+xO3。我们知道,在满足化合价平衡的条件下,阳离子的化合价与其电离能有关。然而,La和Mn的第四电离能分别为49.95eV和51.20eV, Ca的第三电离能为50.91eV,为什么体系中只有Mn4+离子,而没有La4+或Ca3+离子?对于这个现象,迄今没有见到满意的解释。我们认为,出现这种现象的原因在于,在这样的化合物中,阳离子的化合价不仅与电离能有关,而且与相邻阴阳离子间的距离有关。我们假设在阳离子和阴离子间存在一个势垒,势垒的高度正比于阳离子的电离能,势垒的宽度与相邻的阴阳离子间距有关。形成具有给定化合价离子的几率,与该离子最后一个被电离的电子穿过相应势垒的几率有关。作为这个模型的应用,我们解释了一些ABO3结构镧锰氧化物中处于A位和B位上不同阳离子的化合价问题。第二,结合能对类钙钛矿结构锰氧化物晶胞体积的影响。一般来说,离子尺寸被认为是影响ABO3结构锰氧化物晶胞体积的重要因素。然而,对于La1-xSrxMnO3,当x≤0.5时,尽管A位所有离子的平均有效离子半径随x的增大而增大,晶胞体积却随着x的增加而减小。此外,当x=0.3时,La1-xNaxMnO3的晶胞体积出现一个极小值。迄今为止,还没有发现对于这种现象的满意解释。为了解释上述实验现象,我们估算了La1-xNaxMnO3和La1-xSrxMnO3体系的结合能。结合能包括两部分:离子性结合能和由双交换电子而引起的附加金属性结合能。附加的金属性结合能约为库仑能的6%。计算出的总结合能对样品中Mn4+离子含量的依赖关系,与利用实验结果得到的样品的等效晶胞晶格常数对样品中Mn4+离子含量的依赖关系一致。从而对样品晶胞体积随掺杂量变化的规律给出了满意的解释。
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