宽带宽锰氧化物薄膜中应变导致的相分离和正磁电阻研究

本项目以钡或锶掺杂的(La,Ba/Sr)MnO3薄膜为对象，主要研究薄膜与基片间晶格失配造成的薄膜应变对这种宽带宽锰氧化物中电子相分离和渗流输运行为的影响，以及低温金属区正磁电阻效应的起因。通过选择不同晶格常数的基片外延生长薄膜，调整薄膜应变在拉伸和压缩模式间变化，研究样品物性与应变的关系，特别注意观察其中的相分离现象。利用原子力显微镜的导电探针对氧化物薄膜进行微、纳加工，即刻蚀宽度从微米至纳米级的条带结构，对比研究它们的输运性质，获得相分离尺度和渗流输运过程等详细信息。锰氧化物的正磁电阻在双交换作用模型下十分反常，本项目将依据相分离和渗流输运图象，系统研究(La,Ba/Sr)MnO3薄膜在低温金属区表现的正磁电阻效应。研究结果将有助于全面认识锰氧化物中的复杂现象，特别是晶格自由度在其中所起的作用，并且新的磁电阻现象和机理的探索，将为新型自旋电子器件的设计开发提供更多的依据和选择。

过渡金属氧化物中，3d电子的电荷、自旋和轨道/晶格之间存在着十分强烈的耦合，这些竞争作用之间的精细平衡导致了体系表现出复杂的相图和各种新奇物性，比如高温超导、庞磁电阻和多铁性等。与均匀一致的物理图象形成对比，上世纪九十年代人们在铜和锰氧化物中都观察到电子相分离现象，这已成为电子强关联体系研究中的重要课题之一。我们注意到在A位大半径离子掺杂的所谓宽带宽锰氧化物(La,Ba/Sr)MnO3中，这种相分离现象并不常见，这可能缘于eg的高巡游性导致铁磁交换作用在其中占据统治地位。在本项目支持下我们通过选择不同晶格常数的基片改变外延薄膜应变，调整体系中各种超交换作用的竞争关系，研究应变对宽带宽锰氧化物薄膜中MnO6八面体畸变、eg电子浓度、电子相分离和相关磁性表现的影响。并且在反铁磁性的正交o-YMnO3多铁材料中通过Mn位掺杂其他磁性离子探讨增强体系铁磁性并保留其多铁性的可能。.对宽带宽锰氧化物LBMO薄膜的研究结果表明，薄膜应变不仅通过改变MnO6八面体畸变状态调整Mn-O-Mn键角，而且对薄膜中的氧含量从而eg电子空位有影响，而后者在双交换作用中扮演更重要的角色，面内压缩应变在相应方向上有固氧作用，并在后退火处理中主要发生薄膜内部氧离子向面外方向扩散而非气氛氧原子向内部扩散；通过控制退火条件，在压缩应变的LBMO/ LAO薄膜中发现输运和磁性转变温度分别在100 K和170 K，这完全不同于双交换作用主导的宽带宽锰氧化物中二者的一致性，揭示了电子相分离存在于压缩应变LBMO的迹象；系统研究了压缩应变LBMO薄膜中电阻率的低温极小值现象，发现除了电子-声子和电子-电子散射机制外，与竞争性交换作用引起的短程磁无序相关联的类Kondo散射在体系的低温输运中起重要作用；利用铁磁共振手段对比研究了压缩和拉伸应变LBMO薄膜的磁晶各向异性，发现与Ca、Sr掺杂锰氧化物迥异的表现，即易磁化轴沿压缩应变方向而非拉伸方向，结合掺杂锰氧化物的相图对这种“反常”现象做出了合理解释；在增强多铁材料中铁磁分量的初步探索中，发现Cr半掺杂正交YMn0.5Cr0.5O3中的亚铁磁性和可能的B位阳离子层状有序结构，研究结果表明在该体系中同样存在自旋驱动的铁电有序态。.这些成果有助于人们更全面地认识锰氧化物中的复杂现象，特别是晶格自由度在强关联体系中所起的作用，为功能氧化物材料的研发提供科学依据，并且在