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热处理对钙钛矿锰氧化物La0.95Sr0.05MnO3离子价态和磁结构的影响

武力乾 齐伟华 李雨辰 李世强 李壮志 唐贵德 葛兴烁 丁丽莉

热处理对钙钛矿锰氧化物La0.95Sr0.05MnO3离子价态和磁结构的影响

武力乾, 齐伟华, 李雨辰, 李世强, 李壮志, 唐贵德, 葛兴烁, 丁丽莉
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  • 对于磁性氧化物的磁有序, 传统的观点用超交换相互作用(SE)和双交换相互作用(DE) 模型进行解释, 其出发点都建立在全部氧离子是-2价的基础上. 例如, 对于LaMnO3, 认为其中的La和Mn都处于+3价, 用SE模型解释相邻Mn3+离子间的反铁磁序; 当以二价的Sr离子替代一部分La离子后, 认为等量的Mn3+离子变为Mn4+离子, 用DE模型解释相邻Mn3+和Mn4+离子间的铁磁序. 然而, 事实上在氧化物中存在一部分负一价氧离子. Cohen [Nature 358 136]利用密度泛函理论计算了BaTiO3的价电子态密度, 结果得到只有Ba离子的化合价与传统观点相同, 为+2 价; 而Ti和O分别为+2.89价和-1.63价, 不是传统观点的+4价和-2价, 但是与多年来关于氧化物电离度的研究[Rev. Mod. Phys. 42 317] 和X 射线光电子谱(XPS)的研究结果相符合. 本文经过不同热处理条件制备了名义成分为La0.95Sr0.05MnO3 的三个样品, 通过对样品的XPS分析, 发现样品中不存在Mn4+离子, 只存在Mn2+ 和Mn3+离子, 平均价态随热处理程序的增加而升高. 尽管三个样品有相同的晶体结构, 但磁矩明显不同. 对于这样的性能, 不能用SE和DE模型解释其磁结构. 利用本课题组最近在研究尖晶石结构铁氧体磁有序过程中提出的O 2p巡游电子模型解释了这种现象, 利用样品在10 K的磁矩估算出的Mn离子平均价态变化趋势与XPS分析结果一致. O 2p巡游电子模型的出发点建立在氧化物中存在一部分负一价氧离子的基础上, 这是其与SE和DE模型的根本区别.
      通信作者: 唐贵德, tanggd@mail.hebtu.edu.cn.
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 11174069)、河北省自然科学基金(批准号: A2015205111)和河北省教育厅青年基金(批准号: QN20131008)资助的课题.
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出版历程
  • 收稿日期:  2015-08-07
  • 修回日期:  2015-10-29
  • 刊出日期:  2016-01-20

热处理对钙钛矿锰氧化物La0.95Sr0.05MnO3离子价态和磁结构的影响

  • 1. 河北师范大学物理科学与信息工程学院, 河北省新型薄膜材料实验室, 石家庄市 050024;
  • 2. 中国电子科技集团公司第四十六研究所, 天津 300220
  • 通信作者: 唐贵德, tanggd@mail.hebtu.edu.cn.
    基金项目: 

    国家自然科学基金(批准号: 11174069)、河北省自然科学基金(批准号: A2015205111)和河北省教育厅青年基金(批准号: QN20131008)资助的课题.

摘要: 对于磁性氧化物的磁有序, 传统的观点用超交换相互作用(SE)和双交换相互作用(DE) 模型进行解释, 其出发点都建立在全部氧离子是-2价的基础上. 例如, 对于LaMnO3, 认为其中的La和Mn都处于+3价, 用SE模型解释相邻Mn3+离子间的反铁磁序; 当以二价的Sr离子替代一部分La离子后, 认为等量的Mn3+离子变为Mn4+离子, 用DE模型解释相邻Mn3+和Mn4+离子间的铁磁序. 然而, 事实上在氧化物中存在一部分负一价氧离子. Cohen [Nature 358 136]利用密度泛函理论计算了BaTiO3的价电子态密度, 结果得到只有Ba离子的化合价与传统观点相同, 为+2 价; 而Ti和O分别为+2.89价和-1.63价, 不是传统观点的+4价和-2价, 但是与多年来关于氧化物电离度的研究[Rev. Mod. Phys. 42 317] 和X 射线光电子谱(XPS)的研究结果相符合. 本文经过不同热处理条件制备了名义成分为La0.95Sr0.05MnO3 的三个样品, 通过对样品的XPS分析, 发现样品中不存在Mn4+离子, 只存在Mn2+ 和Mn3+离子, 平均价态随热处理程序的增加而升高. 尽管三个样品有相同的晶体结构, 但磁矩明显不同. 对于这样的性能, 不能用SE和DE模型解释其磁结构. 利用本课题组最近在研究尖晶石结构铁氧体磁有序过程中提出的O 2p巡游电子模型解释了这种现象, 利用样品在10 K的磁矩估算出的Mn离子平均价态变化趋势与XPS分析结果一致. O 2p巡游电子模型的出发点建立在氧化物中存在一部分负一价氧离子的基础上, 这是其与SE和DE模型的根本区别.

English Abstract

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