双层钙钛矿锰氧化物磁性及输运性质的研究——结构式：(La1-xGdx)4/3Sr5/3Mn2O7(x=0,0.05)



双层钙钛矿锰氧化物磁性及输运性质的研究——结构式：(La1-xGdx)4/3Sr5/3Mn2O7(x=0,0.05)

王志国，向俊尤，胡玉彪，徐宝，吴鸿业，鲁毅，赵建军

(包头师范学院 物理科学与技术学院，内蒙古 包头 014030)

摘要：采用传统的高温固相烧结法制备了多晶样品(La1-xGdx)4/3Sr5/3Mn2O7(x=0,0.05)，利用XRD检测了两样品的结构，结果表明：两样品均为Sr3Ti2O7型四方结构，空间群为I4/mmm，通过物性测量系统(PPMS)和超导量子磁强计(SQUID)测量了样品的磁性(M-T)以及电性(ρ-T)，结果发现：两样品在低温区存在长程的铁磁态；当Gd掺入后，由于引起了结构的畸变，削弱了双交换作用，致使样品(La1-xGdx)4/3Sr5/3Mn2O7(x=0.05)的三维(3D)磁有序转变温度磁化强度均降低。此外，样品在发生金属—绝缘体转变的同时伴随有铁磁—顺磁的转变。

关键词：层状钙钛矿锰氧化物；庞磁电阻效应 ；双交换作用

1实验方法

本实验中所制(La1-xGdx)4/3Sr5/3Mn2O7(x=0,0.05)多晶样品是通过固相反应法合成，具体合成办法如下：严格按比例将所用纯度都大于99.9%的氧化物原料La2O3、Gd2O3、MnCO3和SrCO3称量，随后将各组分氧化物充分混合研磨后并在1000℃下预烧12h。然后再将预烧后的粉末研磨，研磨后再在相同条件下进行第二次预烧，最后，将两次预烧后的粉末研磨、压片成型。把得到的片状样品在1350℃煅烧24h并随炉冷却。用X射线衍射仪检测片状样品是否成相。样品的磁化强度与温度的关系(M-T)以及电阻率与温度的关系(ρ-T)是通过PPMS测量，测量范围为15K-300K。

2结果与讨论

图1是(La1-xGdx)4/3Sr5/3Mn2O7(x=0,0.05)样品的X射线衍射图。样品为单相的Sr3Ti2O7型四方结构，空间群为I4/mmm。

图1：(La1-xGdx)4/3Sr5/3Mn2O7(x=0,0.05)的XRD衍射谱

图2:场冷却下样品(La1-xGdx)4/3Sr5/3Mn2O7(x=0,0.05)在0.1T下的M-T关系

掺Gd的样品表现出比不掺Gd的样品低的TP和低的电阻率。这是由于锰氧化物多晶的颗粒边界存在大量非配位原子，以及在颗粒边界受到延伸缺陷应力场的作用而形成的绝缘层[9,10]。掺Gd的样品的颗粒尺寸比不掺Gd的样品大，颗粒尺寸越大，颗粒边界就越少，载流子在颗粒边界处受到的散射就越小，因而表现出低的电阻率；由于Gd3+对La3+的替代减小了A位的平均半径，使得晶胞中Mn-O-Mn键角减小，单电子eg能带宽度变小，减弱了双交换作用，致使掺Gd的样品的金属-绝缘体转变温度TP降低。从图2和图3中可看出两样品的顺磁—铁磁转变温度刚好都对应于其金属—绝缘体转变温度，表明两样品均存在铁磁性和金属性共存的性质。

图3:0T下样品(La1-xGdx)4/3Sr5/3Mn2O7(x=0,0.05)的ρ-T曲线

图4:5T下样品(La1-xGdx)4/3Sr5/3Mn2O7(x=0,0.05)的ρ-T曲线

3结论

通过对双层锰氧化物(La1-xGdx)4/3Sr5/3Mn2O7(x=0,0.05)的磁性及输运性质的研究，可以得知：Gd3+的掺杂抑制了双交换作用，从而减小了样品(La0.95Gd0.05)4/3Sr5/3Mn2O7的磁化强度，同时也降低了样品的金属-绝缘体转变温度；样品(La0.95Gd0.05)4/3Sr5/3Mn2O7的晶粒边界较少，在晶粒边界处载流子受到的散射较小，表现出低的电阻率，此外，两样品在低温区存在铁磁金属共存的现象。

〔参考文献〕

[1]Moritomo Y, Asamitsu A, Kuwahara H, et al.Giant Magnetoresistance of Manganese Oxides with A Layered Perovskite Structure [J].Nature, 1996, 380:141-144.

[2]Hirota K, Ishihara S, Fujioka H, et al.Spin Dynamical Properties and Orbital State of the Layered Perovskite La2-2xSr1+2xMn2O7(0.3

[3]Joonghoe D, Kim W S, and Hur N H.Relaxorlike Spinglass Phase in the Layered Manganite(La0.8Gd0.2)1.4Sr1.6Mn2O7[J].Phys.Rev.B., 2001, 65(2):024404(1-6).

[4]Tomioka Y, Kuwahara H, Asamitsu A, et al.Interplane Tunneling Magnetoresistance in A Layered Manganite Crystal [J].Science, 1996, 274(5293):1698-1701.

[5]Perring T G, Aeppli G, Moritomo Y, et al.Antiferromagnetic Short Range Order in A Two-dimensional Manganite Exhibiting Giant Magnetoreitance [J].Phys.Rev.Lett., 1997, 78: 3197-3200.

[6]Shannon R D and Prewitt C T.Revised Effective Ionic Radii and Systematic Studies of Interatomic Distances in Halides and Chalcogenides [J].Acted.crystallogr.A, 1976,32:751-767.

[7]Battle P D, Mark A, Green N, et al.Control of Electronic Properties by Lanthanide Size and Manganese Oxidation State in the Mn3+/Mn4+Ruddlesden-Popper phasesLn2-xSr1+xMn2O7Vente [J].Chem.Mater., 1997, 7:977-988.

[8]Battle P D, Green M A, Laskey N S, et al.Crystal and Magnetic Structures of the Colossal Manganates Sr2-xNd1+xMn2O7(x=0, 0.1) [J].Phys.Rev.B, 1996, 54:15967-15977.

[9]Hwang H Y, Cheong S-W, Ong N P, et al.Spin-Polarized Intergrain Tunneling in La2/3Sr1/3MnO3[J].Phys.Rev.Lett., 1996, 77:2041-2044.

[10]Gupta A, Gong G Q, Xiao G, et al.Grain Boundary Effects on the Mangetoresistance Properties of Perovskite Manganite films [J].Phys.Rev.B, 1996, 54:15629-15632.

Magnetic and Transport Properties of Perovskite Manganites (La1-xGdx)4/3Sr5/3Mn2O7(x=0,0.05)Polycrystalline Samples

WANG Zhi-guo, XIANG Jun-you, HU Yu-biao, XV Bao，WU Hong-ye，LU Yi, ZHAO Jian-jun

(Faculty of Physics and Technology,Baotou Teachers College；Baotou 014030)

Abstract:(La1-xGdx)4/3Sr5/3Mn2O7(x=0,0.05)polycrystalline samples were prepared by solid state method.The sample’s magnetic and transport properties were studied by using XRD, PPMS and SQUID.The results showed that the sample are Sr3Ti2O7type structure, and space group are I4/mmm.The samples exist long-range ferromagnetic state in low temperature area.Structure is distorted after Gd3+doped, which weakened the FM interaction, decrease TCand magnetization.In addition, metal insulation shift and change of the ferromagnetic paramagnetic occurred at the same time.

Key words:Perovskite manganites; colossal magnetoresistance and double exchange

中图分类号：O482.52;O614.33

文献标识码：A

文章编号：1004-1869(2015)02-0008-03

作者简介：王志国(1987-)，内蒙古凉城县人，硕士研究生，研究方向：磁学与磁性材料。

收稿日期：2014-12-14