钙钛矿结构化合物强关联作用和电流脉冲效应研究

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尽管钙钛矿结构氧化物R<,1-x>A<,x>MnO<,3>(其中R是稀土金属离子,A是碱土金属离子)的研究历史已经超过了半个世纪,但这系列化合物仍然是凝聚态物理中的一个重要方向。一方面因为这些强关联电子系统(SCEM)是理解电荷,自旋,轨道和晶格自由度间复杂的相互作用而产生的丰富的物理现象的理想材料;另一方面作为强关联电子系统,这系列化合物拥有极丰富的相图,各种电学和磁学性质对外界条件相当敏感,使它们成为研制量子调控器件的极好材料。 LaMnO<,3>是这系列具有丰富现象化合物的母体材料,也是理解各种相互作用关系的理想材料,所以我们首先研究了LaMnO<,3>中JT畸变,磁性结构和电子-电子互作用之间的关系及在系统中所起的作用。另外,2000年美国Texas超导和空间外延中心报导了P<,0.7>Ca<,0.3>MnO<,3>(PCMO)三明治薄膜结构的室温电阻值对电脉冲信号产生了灵敏的反应,其开关效应能长久保持,由于巨大的技术应用前景这一现象受到了广泛关注,我们对这一现象也进行了深入的研究。主要的结论如下: 第一,通过基于密度泛函理论的第一性原理FP-LAPW方法,我们计算 LaMnO<,3>系统的基本电子结构,得到了与其它小组基本相同的计算结果,由基本电子结构可以看出它和其他一些钙钛矿材料的不同之处,Mn<3+>3d电子的特殊性使人们不能简单地找出LaMnO<,3>性质的主导因素。为了明确分析LaMnO<,3>中几种相互作用之间的关系及主导因素,我们在此基础之上,用同样的方法,由简入繁,系统考虑了电子关联作用U对完美的钙钛矿立方(cubic)铁磁、A型反铁磁结构以及晶格畸变后的正交(orth)铁磁结构的影响。计算结果可以归纳为以下几点:(1)系统在A型反铁磁时的状态要比铁磁状态下稳定,在计算中磁性结构对稳定 LaMnO<,3>基态有一定的影响;(2)晶格畸变对于得到LaMnO<,3>绝缘的基态结构起着决定性作用,在不考虑畸变的情况下,系统在费米面处不能得到较大的能隙,实现绝缘态;(3)电子关联势在LaMnO<,3>中起两个主要作用:一是打开能隙;二是稳定晶格畸变和A型反铁磁结构。 第二,对于钙钛矿结构Pr<,1-x>Ca<,x>MnO<,3>薄膜中电脉冲诱导电阻值变化的理论研究,我们发展了Rozenberg等人提出的模型,充分考虑了氧化物介质.金属界面层对载流子隧穿的影响。引入由颗粒占据率控制的系数γ<,i>,和随机调制的涨落系数γ<,i,rand>来定义不均匀颗粒界面区域与电极间载流子隧穿。用一个颗粒导通概率p来控制不均匀界面层的导通几率。在此基础上我们研究了隧穿率参数Γ和Γ,颗粒导通几率p的变化对电脉冲开关效应和I-V迟滞回线的影响。结果发现N<,c>Γ-N<,e>Γ差值越大,或者导通率p越小,系统阻值的变化△R和EPIR值也越大。通过分析I—V曲线中的迟滞效应,研究对迟滞回线产生影响的因素并与实验相互比照。负电压部分的迟滞回线较为明显,表现出负电压时系统达到稳定状态的滞后性。我们的计算结果与实验相一致,并证明引入一个能反映界面不均匀性的颗粒界面隧穿率系数能够更好的解释EPIR 开关效应的机理。
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