强关联锰氧化物 Nd0.5Ca0.5Mn0.85Al0.15O3低温下磁性质的研究*

李 玉，郭子心，戚大伟

(东北林业大学)

0 引言

随着时代的发展，日新月异的科技产品已经不断的融入到人们的日常生活中，对于新材料的研制，新能源的开发也越来越迫在眉睫.凝聚态这门学科随即被重视起来.到了20世纪中后期，半导体物理已经有了突飞猛进的发展，各种半导体材料因其优越性能够更加适合人类生活.家里用的电视机，CD机磁头，医院的CT等医疗设备都离不开半导体和磁性材料.尤其是钙钛矿型锰氧化物，这类化合物表现出非常丰富复杂的现象.包括巨磁阻庞磁阻等效应［1－3］，深受研究人员的注意.这类材料中，电荷，自旋以及晶格自由度之间存在相互竞争耦合现象［4］.并引发了包括金属绝缘(M－I)相互转变，相态分离，变磁相变和晶格畸变等奇特物理现象［5］.该研究利用高温固相反应法来制备钙钛矿锰氧化物Nd0.5Ca0.5Mn0.85Al0.15O3样品，并用XRD确定其晶体结构，进而来研究其产生诸多现象的内在机理.很多中年人佩戴的保健项链和手镯，都是通过释放弱磁场等效应达到对人体的益处的.

1 实验

1.1 样品的制备

该文选用高温固相反应法来获得样品

Nd0.5Ca0.5Mn0.85Al0.15O3.所需的原材料为高纯度的 Nd2O3，CaCO3，MnO2，Al2O3.对样品进行预烧除去样品中水分和其他杂质.之后按照计算出来的比例称量各药品质量并在玛瑙研钵中搅拌使其混合均匀并充分研磨.再用压片机和模具把混合物压成圆片灼烧.灼烧过程分4次进行，前2次使其被压成25 mm规格在1100℃下烧24h.后2次压成13 mm并用1300℃温度烧结.这样反复进行便得到所需单相多晶样品 Nd0.5Ca0.5Mn0.85Al0.15O3.整个操作过程和环节所接触工具均用酒精棉反复擦拭确保其无污染，进而来得到高纯度的样品.

1.2 样品的测量和定性

对于本样品晶格参数方面的确定，采用的是X射线衍射方法，XRD的测量步长选0.02°.性质分析采用美国量子公司的物理性质测量系统(PPMS)，选用ACMS插件对其M－T，M－H等曲线进行测量，测量温区为2 ～340 K，外场的范围为－8.0 ～8.0 T.

2 结果与分析

2.1 XRD下的测量结果

将样品研磨成粉末状进行XRD测量.图1为Nd0.5Ca0.5Mn0.85Al0.15O3样品在室温下的 XRD 衍射图谱.分析表明样品具有很好的单相性，为正交结构，空间群为Pnma.

图1 Nd0.5Ca0.5Mn0.85Al0.15O3 粉末 XRD 谱图

2.2 物理性质测量系统的测量结果与分析

将样品磨成1×2×3 mm大小的形状保持样品纯净放入仪器的测量样品腔中，之后调试控制器使腔内真空.

图2 展示了样品 Nd0.5Ca0.5Mn0.85Al0.15O3的磁化强度随温度变化曲线(M－T).图中两条曲线分别为零场和有场冷却.具体过程是在无外场情况下温度均匀降低到2 K.随即加上0.01 T强度的外场均匀升温至340 K测得ZFC升温曲线.再次在0.01 T环境下降温至2 K，升温测FC曲线.研究发现在未掺杂 Al的 Nd0.5Ca0.5MnO3母相样品常温为顺磁性，T=249 K时出现电荷有序峰TCO，T=160 K处转变为反铁磁性［6］.对照发现在掺杂Al元素的样品 Nd0.5Ca0.5Mn0.85Al0.15O3中并没有出现TCO温度以及向反铁磁的转变.这可能是Al3+的加入代替了Mn3+改变了Mn3+，Mn4+之间的比例，导致电荷有序遭到破坏［7］.图中在T=62 K附近ZFC和FC逐渐开始出现分叉，此时发生相分离.在T=32 K处在ZFC曲线上有宽峰，此处应为磁有序的冻结温度Tf，此时铁磁反铁磁共存，这种状态称自选玻璃态［8］.随着温度的进一步降低，在T=4 K附近又出现一个峰值，应为自旋阻塞温度［9］.样品为典型的自旋玻璃材料和相分离材料.

图2 Nd0.5Ca0.5Mn0.85Al0.15O3的ZFC和FC磁化强度曲线

图3 为样品 Nd0.5Ca0.5Mn0.85Al0.15O3在 2 K 环境下磁化强度随外场的变化关系即磁滞回线(M－H).磁滞回线是材料的重要特征，能反映出样品的饱和磁化强度，剩余磁化强度等信息［10］.从图中可以看到，即便外场增加到8 T强度，样品磁化强度曲线依然在上升，也并未饱和，没有台阶状的变磁相变特征.掺杂Al之后曲线与母相样品M－H曲线的行为相比较铁磁性质和矫顽力不是很明显.这现象可能是由于铝元素的进入，所产生的Mn4+随机地分布在样品中，Al3+与Al3+，Mn4+与Mn4+之间的超交换作用和Mn3+与Mn4+之间的双交换导致低温下反铁磁和铁磁性的相竞争从而抑制了铁磁性［11］.

图3 Nd0.5Ca0.5Mn0.85Al0.15O3在2 K下的磁滞回线

为了更清楚的观察和研究，图4中是放大了的磁滞回线，磁场强度在－2～2 T，能看出曲线第一分支采点较密集.由此图展示了样品具有明显的磁滞现象，这是铁磁性的特征，表明样品具有铁磁性.这应该是 Al3+的掺入破坏了 Nd0.5Ca0.5MnO3的长程有序反铁磁结构［12］，形成了随机分布的局域性的铁磁极化因子或者铁磁团簇［13］，加上原来的剩余的反铁磁因子，便形成现在的铁磁与反铁磁共存态.

图4 放大后的样品磁滞回线

3 结论

该文采用高温固相反应法制备样品

Nd0.5Ca0.5Mn0.85Al0.15O3，通过 XRD 测定样品为单相正交结构.此样品在62 K左右发生相分离，此时铁磁与反铁磁共存.磁有序冻结温度Tf=32 K.自旋阻塞温度为4 K.样品在2 K下磁滞回线表明样品具有明显磁滞，8 T时磁化强度未达到饱和，没发现有台阶状变磁相变.

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