钙钛矿型锰氧化物Nd0.5Ca0.5Mn1-xGaxO3的结构和磁电性质研究

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强关联电子体系物理学是至今最突出的悬而未决的疑难问题。近年来,钙钛矿型锰氧化物引起了科学界的广泛关注,有研究表明它是一种典型的强关联体系。研究者们建立了如双交换模型和极化子模型等许多不同的模型来分析其中的复杂的效应。但是随着研究的深入,有关钙钛矿型锰氧化物产生的复杂物理现象的研究还较少,尤其是其复杂的内在结构、电荷自旋、轨道和晶格以及强关联体系互相作用等。综上所述,对于钙钛矿型锰氧化物体系的研究亟待深入。  本文所用的Nd0.5Ca0.5Mn1-xGaxO3(0≤ x≤0.15)系列单相多晶样品是通过高温固相反应法制备的,样品在最高合成温度1300℃时保持24小时。对制备的样品通过X射线衍射仪(XRD)进行表征。样品的磁化强度(M-T曲线)、磁滞回线(M-H曲线)、电阻率(ρ-T曲线)是利用物理性质测量系统(PPMS)进行测量的。  通过对XRD衍射图样分析可知,Nd0.5Ca0.5Mn1-xGaxO3(0≤ x≤0.15)系列样品的结构均为单相正交的结构,其空间群为pnma。衍射峰主峰约为33.30°,随着Ga元素的掺杂,衍射峰的位置没有明显的变化。  通过对系列样品的M-T曲线进行分析,可以看出Ga的掺杂对于样品的磁化强度有着显著的影响。母相样品Nd0.5Ca0.5MnO3的电荷有序温度为TCO=248 K,当x≥0.02开始,在温度约为50 K左右可以观察到ZFC有一个尖锐的峰,此峰代表冻结温度Tfc在温度为T=2K时,样品在FC曲线中可以观察到随着Ga元素的掺杂量增加样品的磁化强度也会增加,这表明Ga的增加可以有效的抑制反铁磁有序,从而增强了样品的铁磁性。在2K下,磁场扫描范围为-9 T~9 T时,对NCMGO系列样品在2K下的磁滞回线进行分析,当Ga掺杂的含量为2%,3%,4%,5%以及7%的5个样品中,磁滞回线的第一分支均发生了台阶状变磁相变,尤其x=0.05的样品出现了两个台阶。这表明样品中反铁磁成分与铁磁成分是共存,在外磁场的作用下反铁磁成分转化成铁磁成分,增加了铁磁性。在磁滞回线测试方面,后续我们又对x=0.05的样品进行了在不同温度下的测试,从测试的结构来看在T≥160K的时候,样品的磁性质表现为顺磁性。在当温度低于120 K的时候,在高场的作用下也可以发现有渐变型的变磁相变。从T=4.5 K-300K的多个温度进行测试,并没有发现有台阶状变磁相变的现象出现。  随后对样品在零磁场和1T的外磁场的条件下的电阻率进行测定发现样品的电阻率和温度成反比的关系,这说明样品此时表现出了半导体的性质,在ρ-T曲线上没有出现绝缘体转变为金属的转变峰。在外磁场为5T的条件下,x≤0.07的7个样品均出现了绝缘体-金属转变峰,整个测量过程中,样品发生了金属-绝缘体-金属的转变。x≤0.07的样品中均出现了CMR效应。其中Ga元素掺杂量为3%的样品在外磁场H=5T的条件下,MR值达到最大的约326000%。而这种CMR效应在掺杂量大于等于10%的样品中并没有出现。
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