文档介绍：中国科学技术大学
博士学位论文
钙钛矿型过渡族金属氧化物的物性研究
姓名:张仕乐
申请学位级别:博士
专业:凝聚态物理
指导教师:张裕恒
2011-04
摘要
摘要
钙钛矿型过渡族金属氧化物是一种典型强关联体系材料,由于具有超导电
性、庞磁电阻、反常霍尔效应、大的热电效应、多铁等奇异物理性质,因而被
人们广泛的研究。钙钛矿型过渡族金属氧化物中电荷、轨道、自旋以及声子之
间的相互作用使得体系呈现出许多有趣的物理现象,例如电荷有序、轨道序、
自旋序、玻璃态、相分离、金属绝缘体转变、自旋态转变等。这些有趣物理现
象同凝聚态物理的许多基本问题紧密相关,例如杂化理论,理解这些问题的微
观机理的会对凝聚态物理的发展起到巨大的推动作用。
本文中我们选取了不同 dp 杂化程度的钙钛矿型过渡金属氧化物材料为研究
对象,用高压和掺杂手段调制杂化,进而研究材料的物理性质。首先我们简要
的回顾了强关联电子体系以及各种电子间相互作用的理论和使用范围。综述了
钙钛矿过渡金属氧化物材料的历史与发展;介绍了钙钛矿过渡金属氧化物材料
的晶体结构,电子结构,氧位移偏移,输运性质,有序相和相分离等,并对这
些结构和性质作了初步的理论解释。然后重点对钙钛矿过渡族金属 Fe 氧化物
钻,Ru 氧化物和 Co 氧化物物理性质作了详细的介绍。
我们系统的研究了 dp 杂化程度较低的 体系的电荷、自旋和
晶格之间相互作用。发现体系的电磁性质与电荷歧化效应强烈关联,高压下体
系的磁性结果表明低温下 Fe3+ 发生了自旋态转变。这是由于压力使得晶场能提
高,杂化变强造成的。
我们设计和对比研究 Sr1−xCaxRu1−xCrxO3 和 Sr1−xLaxRu1−xCrxO3 两组体
系的磁性和输运性质。我们找到了杂化强的 SrRuO3(4d 电子中唯一具有长程
磁有序材料) 体系中唯一的离子掺杂(Cr) 使其磁有序升高的原因:体系中的
Ru+5-O-Cr+3 超交换铁磁相互作用。
我们系统的研究了 Ti 掺杂 −xTixO3 体系的磁效应。结果表明
体系中两种 Co 离子自旋态没有发生变化,一直处于中自旋态。B 位引入 Ti 离
子,撑大了晶格,增加了 Co-O 键键长,削弱了双交换相互作用,降低铁磁温
度。当铁磁相互作用降到某一阈值,体系中出现了反铁磁相互作用。低温下铁
磁相互作用和反铁磁相互作用的竞争引入了再入自旋玻璃态。由此,我们建立
了一个磁相图。
我们系统的研究了多种离子掺杂钴氧化物 (R= Zn, Cu,
Ni, Ru, Ti, and Cr) 的磁性。研究表明所有掺杂样品中两种 Co 离子都处于中
自旋态。对于,Cu,Zn,Ni,Ti 和 Ru 离子掺杂,体系的铁磁温度都降低了
3+ 4+
且呈现出复杂的磁性。不同掺杂带来不同的结果这与 Co /Co , ⟨rB⟩, f 和掺
I
摘要
杂离子的巡游性有关。值得注意的是 B 位掺杂唯有 Cr 离子使得 TC 上升。这
是由于体系中存在 Co-O-Cr 相互作用,从而提高了磁有序温度。ESR 实验证
3+ 3 0 3+ 5 1
实了这一结论。可以推出铁磁交换相互作用来自 Cr (t2geg)-O-Co (t2geg) and
3+ 3 0 4+ 4 1
Cr (t2geg)-O-Co (t2geg)。
关键词: 过渡族金属氧化物,杂化轨道,合作氧位移偏离,交换作用
II
ABSTRACT
ABSTRACT
The transition metal oxides have been widely studied due to their novel properties,
such as superconductivity, colossal oresistance, abnormal Hall effect, huge ther-
moelectrical effect and multiferronics. In these system charge, orbital,spin and lattice
are coupled to each other,plicated phase diagrams are introduced peti-
tion among these interactions, giving rise to some interesting phenomena such as charge
ordering, ic ordering,