B位调控钙钛矿钴氧化物的CMR效应及自旋态研究

The discovery of colossal magnetoresistance effect (CMR) in perovskite cobaltite oxide has sparked considerable renewed interests with an eye towards both on understanding of the CMR and related properties and potential applications in magnetic information store and low-field magnetic sensors. These materials also exhibit intriguing physical properties such as spin state transition, spin glass, phase separation, and so on, because of coexistence of and competition between spin, charge, lattice and obitail coupling. The full understanding of these properties will definitely stimulated the progress of spintronics. In this work, we mainly study B-site doping on CMR effect and Co ions'spin state transiton.Some of Co ions will be substituted by Cr, In, or Ga ions which represent three kinds of interaction, and the effect of new magnetic interaction, lattice distortion and dilute of magnetic ions on the physical properties of perovskite cobaltites will be studied respectively. The best doping element and optimal concentration will be investigated to find the maximum CMR effect. First principles calculation based on the LSDA + Hubbard U and combination with electromagnetic measurements will be used to carefully study Co ions' spin state transition and spin glass behaiviour to effectively determine the spin state of Co ions. The mechanism of CMR effect will be discussed to fabricate stable performance high density magnetic storage devices and magnetic sensitive detectors.

钙钛矿结构钴氧化物因具有庞磁电阻效应，在提高磁存贮密度及制备磁敏感探测元件上具有广阔的应用前景，同时这类材料还存在着自旋、电荷、晶格和轨道之间的耦合，表现出自旋态转变、自旋玻璃态、相分离等丰富的物理内容，涉及到自旋电子学的许多基本问题，具有重要的学术意义。本项目主要研究B位调控对钙钛矿结构钴氧化的CMR效应和钴离子自旋态的影响。利用代表三种不同作用的Cr，In，Ga离子替代部分Co离子，分别研究新的磁相互作用、晶格失配和磁性离子稀释对钙钛矿钴氧化物性能的影响。找到具有最大CMR效应的最佳掺杂元素和最优掺杂点，利用电磁测量和基于LSDA+Hubbard U的第一性原理计算相结合的手段，详细研究其钴离子自旋态转变及自旋玻璃态等相关物性，探索出能够有效确定Co离子自旋态及其转变的方法，对理解这类强关联体系具有CMR效应的内在机理，制备出性能稳定的高密度磁存贮元件和磁敏感探测器件都具有深远的意义。

钙钛矿氧化物的物性特别是庞磁电阻（CMR）效应由B位离子的价态和自旋态决定，通过B位掺杂能够有效地改善材料的性能，提高体系的CMR效应。利用标准固态反应法，通过B位的Ga掺杂，制备了三种钙钛矿钴氧化物材料，磁性测量发现低温下样品有复杂的磁结构，高掺杂样品抑制了体系的铁磁性，增强了铁磁和反铁磁相互作用的竞争。对于La2/3Sr1/3CoO3样品，当Ga掺杂的浓度为0.1时，CMR效应提高到123%，样品的相分离特征更加明显。LSDA+U的第一性原理计算表明，当钴离子由低自旋态被激发到中间自旋态进一步到高自旋态后，由于强烈的轨道杂化作用，LaCoO3由非磁绝缘体转变成一个有磁性的半金属，再变成金属铁磁体。B位掺杂促进了钴离子自旋态的转变，随着掺杂浓度的增加，有更多的钴离子被激发到较高的自旋态。La2/3Sr1/3Co1-yGayO3体系中有显著的自旋玻璃态特征，且y=0.25和0.3这两个样品交流磁化率的虚部每条曲线有两个峰值，与之对应，交流磁化率的实部在高温区有个明显的峰值，而低温区有个次峰，表明样品存在两个玻璃态。分析了自旋玻璃态存在的原因，是由于铁磁和反铁磁相互作用的剧烈竞争和Co离子自旋态转变引起的，能够提高体系的CMR效应。利用双时的格林函数法，综合研究确定了钙钛矿结构氧化物材料EuTiO3和EuZrO3的磁结构，在推导过程中考虑了自旋波的涨落，通过计算可以确定EuTiO3和EuZrO3都是呈G型反铁磁结构，拟合材料的磁化率发现同已有的平均场理论和蒙特卡洛模拟的结果相比，同实验结果符合的更好，充分说明得到的交换参数更加精确，可以用来研究基于J1-J2模型的相变。