类钙钛矿层状化合物和薄膜的制备，自旋、电荷和晶格耦合以及磁、电特性

Ruddlesden-Popper compounds with layered structure will be prepared by solid phase reaction and sol-gel process, and multilayer films will be prepared by pulsed laser deposition. The phase identification will be carried out with x-ray powder diffraction, and the crystal structures will be refined using Rietveld method. X-ray photoelectron spectroscopy will be used to measure the elemental composition, empirical formula, chemical states and electronic state. The superconducting quantum interference device will be used to measure the magnetic properties and the magnetoresistance. The electrical conducting behavior will be studied with 4-probe dc method. M?ssbauer spectroscopy will be used to study subtle oxidation state, and the effect of different ligands on the magnetic hyperfine structure of transition metal atoms. In Ruddlesden-Popper compounds with layered structure and multilayer films, two ferromagnet layers are separated by a thin insulator layer, which ensures the tunnel magnetoresistance effect. In order to improve the magnetoresistance, the factors which influence the magnetoresistance in the materials with layered structure will be investigated. It is expected that the magnetoresistance will be strongly enhanced as a result. We will also study the possibility to obtain metallicity or even superconductivity in the normally insulating material with layered structure due to a complex interplay between the electron-phonon coupling and electron correlations.

本课题拟用固相反应方法、溶胶凝胶方法和脉冲激光沉积方法，制备Ruddlesden-Popper型层状结构的新型氧化物和氧化物多层膜；利用X射线衍射技术测量其晶体结构，用Rietveld方法分析晶体结构，用x射线光电子能谱（XPS）分析构成元素成分及价态，利用超导量子干涉仪(SQUID)及其附件，测量磁性能、导电性能和磁电阻特性，用穆斯堡尔谱分析其磁超精细结构。研究在层状化合物和多层膜中，铁磁性层被绝缘层隔开，产生类似隧道磁电阻特性。研究层状化合物和多层膜中，由于维数效应和各向异性,中间的附加绝缘层导致显著的晶格形变和强电子关联，在通常是绝缘的层状材料出现金属特性，甚至是超导特性。系统分析影响新型Ruddlesden-Popper层状氧化物和多层膜的磁电阻性能的因素，最终提高其隧道磁电阻特性。

由于层状化合物的层间耦合特性，具有非常丰富的物理性能，包括磁性能、电阻特性、多铁特性等等。研究钙钛矿氧八面体超结构的形成条件、结构特点和物理性能特点，在基础科学研究和探索高性能新材料具有重要意义。Ca3Mn2O7化合物是同时具有铁电特性和反铁磁特性的多铁化合物，提高其磁电耦合系数、磁性能和电极化性能是近年来的一个热点。我们研究三价Bi3+元素替代和引入氧钙缺陷等，对Ruddlesden-Popper层状结构Ca3Mn2O7化合物的结构形成以及磁性能的影响。实际成分是Ca2.807Bi0.193Mn2O7的71%的Bi3+离子进入2a晶位，剩余的29%进入4e晶位。+3价态的Bi3+替代+2价态的Ca2+离子相当于电子掺杂，掺杂Bi3+离子后，在反铁磁的Ca3Mn2O7基底中，引入了铁磁相的成分，形成铁磁和反铁磁相互作用共存。在5K，磁量子数呈现倾斜排列。电输运性具有绝缘特性，在磁转变温度附近，电阻突然降低，低温电阻随温度变化符合Glazman-Matveev模型，在138K以上，由于小极化子的热激发，激发能约50meV。Bi3+离子含量是0.05的时候，观察到了17%的负磁电阻。.研究钙钛矿化合物La1-xGdxCoO3、La0.6Ba0.4CoO3和双层钙钛矿的La2CoMnO6和同样具有氧八面体构成的纤锌矿Ni1-xCoxCr2O4的结构稳定性、磁性能和光谱学性能等。在La2CoMnO6的5K磁化曲线上，表明有多种磁相结构共存，给出了各种磁性相的百分比，观察到有交换偏置现象，磁畴结构具有自旋玻璃态相↓-↓反铁磁相↑-↑铁磁相↑-↓反铁磁相↓-自旋玻璃态相↓的类似核壳结构。La0.6Ba0.4CoO3是晶格畸变最小的理想立方钙钛矿，研究了晶格畸变不变的空穴掺杂和电子数不变的晶格畸变分别对La0.6-xCaxBa0.4CoO3和La0.6Ba0.4-xCaxCoO3的磁性能影响。用激光脉冲沉积的方法，在SrTiO3衬底上生长制备了BiFeO3系列薄膜，研究了其取向特性，磁性能，电输运特性等。.研究表明，钙钛矿化合物特别是层状化合物的结构、磁性、电输运特性等特性具有高度敏感性。通过引入电子或空穴掺杂，改变晶格畸变等，改变制备条件等等，会显著改变这类化合物的结构、磁性、电输运特性等。这些研究为交互调控层状钙钛矿多种性能，提供了有力的实验支撑。