Гигантский изотоп-эффект в свойствах манганитов с колоссальным магнетосопротивлением тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат физико-математических наук Белова, Любовь Михайловна

• Белова, Любовь Михайловна
• кандидат физико-математических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Белова, Любовь Михайловна

ВВЕДЕНИЕ

1. НЕКОТОРЫЕ СВЕДЕНИЯ О СТРУКТУРЕ И СВОЙСТВАХ МАНГАНИТОВ.

1.1. Кристаллическая структура.

1.2. Магнетосопротивление.

1.3. связь магнитной структуры и электрической проводимости.

1.4. Зарядовое упорядочение.

1.5. Фазовые диаграммы.

2. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

2.1. Образцы

2.1.1 Синтез

2.1.2. Кислородный изотопический обмен

2.2. Электросопротивление

2.3. Восприимчивость

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1. Особенности кристаллической структуры.

3.2. Гигантский изотоп-эффект в электросопротивлении.

3.3. Влияние магнитного поля

3.4. Изотоп-эффект в магнитных свойствах.

3.4.1 Нейтронные исследования (г. Дубна)

3.4.2. Магнитная восприимчивость.

3.4.3. Фазовая диаграмма.

3.5. Изотоп-эффект в тонких эпитаксиальных пленках.

3.6. Изотоп-эффект в системе 8м1хСахМ]чОз.

3.7. Несколько слов о моделях.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Гигантский изотоп-эффект в свойствах манганитов с колоссальным магнетосопротивлением»

Различные оксиды переходных металлов были объектом исследований в течение длительного периода, благодаря широкому спектру экстраординарных свойств, которыми они обладают, и которые проявляются в экзотическом поведении кристаллической, электронной и магнитной структуры. Все помнят вспышку, охватившую международное научное сообщество в 1986 году, когда в материалах, основанных на оксидах меди, была обнаружена высокотемпературная сверхпроводимость.

Новый всплеск внимания к этим соединениям сосредоточился на целом классе оксидов марганца: манганитах с перовскитной структурой. Хотя эти материалы являлись предметом изучения довольно длительное время [1, 2], этот новый бум был вызван сообщениями [3] о невероятно большом, «колоссальном» магнетосопротивлении в этих оксидах [4]. Так как материалы с большим магнетосопротивлением (изменением электросопротивления в магнитном поле) необходимы для применения в ведущих областях техники, особенно для изготовления датчиков магнитного поля, считывающих/записывающих головок для магнитных накопителей данных высокой плотности, датчиков перемещений, температуры, болометров, и т. д., многочисленные научно-исследовательские лаборатории по всему миру начали активно исследовать свойства этих составов. Свойства до сих пор изученных манганитов несколько ограничивают область их применения, в связи с тем, что типичные величины полей, в которых магнетосонротивление достигает больших величин, оказываются порядка единиц Тесла, причем наибольшая чувствительность магнетосопротивления к магнитному полю достигается при температурах ниже комнатной, а для устройств типа считывающих головок, должны выполняться условия достаточной чувствительности к слабым магнитным полям (изменение на 100% и более в полях И порядка 100 Э, при значительной зависимости эффекта от напряженности поля) в области температур, близких и выше комнатной. Не смотря на это, манганиты до сих нор считаются весьма перспективными для промышленного применения. В этой работе не будет обсуждаться использование магнеторезистивных свойств этих материалов, вместо этого сосредоточусь на обсуждении некоторых поразительных физических свойств этой системы, которые делают манганиты уникальным предметом физики твердого тела. Однако, все же следует заметить, что понимание свойств и поведения системы крайне важно для будущих применений в технике, а также для обнаружения и синтеза новых материалов с нужными свойствами.

Целью данной работы было изучение кислородного изотоп-эффекта в манганитах, для того, чтобы максимально приблизиться к пониманию эффекта колоссального магнетосопротивления, уникальной чувствительности манганитов к магнитному полю и другим воздействиям, выявить механизмы, влияющие на транспортные и магнитные свойства манганитов. Существенная роль электрон-фононных взаимодействий в манганитах по всей видимости подтверждается явно выраженным влиянием изотошюш состава на электрические и магнитные свойства. Основным результатом данной работы является то, что впервые был обнаружен гигантский изотоп-эффект в манганитах, в системе (Ьа]-уРгу) 1 хСахМпОз при у — 0.75, а именно низкотемпературный переход металл — диэлектрик вызванный изотопическим замещением кислорода 160 180. Для того чтобы установить истинность обнаруженного явления, а также с целью понять природу такого уникального огромного изотоп-эффекта, были привлечены дополнительные исследования. Также было проведено уникальное, до сих пор единственное исследование изотоп-эффекта в тонких пленках манганитов, с целью выявления дополнительных механизмов, влияющих на транспортные свойства этих материалов. В результате этого исследования впервые было обнаружено, что дополнительные искажения, вызванные несоизмеримостью постоянных решетки монокристаллической подложки, на которую осаждена пленка и самой эпитаксиалъной пленки, приводят к гигантскому изотоп-эффекту при меныией концентрации у = 0.5.

Основные положения, выносимые на защиту: Ф Показано, что при выбранных условиях отжига в кислороде 160 и 180 действительно происходит изотоническое замещение кислорода. Ф Изотопическое замещение кислорода |60 180 в системе (Ьа1уРгу)о.7Сао.зМпОз, вблизи фазовой границы (у = 0.75), приводит к низкотемпературному переходу металл-изолятор. # В системе в некотором диапазоне значений у существует магнитное фазовое расслоение, и в определенном интервале температур магнитное состояние представляет собой смесь ферромагнитной и антиферромагнитной фаз, а именно: ферромагнитные кластеры в антиферромагнитной матрице. Ф Замена кислорода

1б0 на

180 приводит к стабилизации высокорезистивного низкотемпературного состояния и подавлению ферромагнитной компоненты в системе (уменьшению объема ферромагнитной фазы). Ф Замещение 160 180 эквивалентно смещению фазовой диаграммы

Т — у в сторону меньших значений у. Ф Изотоп-эффект значительно усиливается при наличии дополнительных факторов, влияющих на структуру материала, таких, как например несоизмеримость постоянных решетки эпитаксиалъной пленки манганита и монокристаллической подложки.

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Белова, Любовь Михайловна

Основные результаты диссертации докладывались на большом количестве международных конференций.

Лично соискателем были сделаны следующие доклады:

1. Устный доклад на конференции "NANO 2000" — Fifth International Conference on Nanostructured Materials, Сендай, Япония, 20 — 25 августа 2000;

2. Приглашенный доклад на заседании Американского физического общества: APS March meeting, Minneapolis, США, 20 - 24 марта 2000 г.;

3. "Frontiers in Magnetism" (Стокгольм, Швеция, 12 — 15 августа 1999 г.). На этой конференции Белова Jl. М. была председателем секции, посвященной манганитам;

4. Приглашенный доклад на конференции "Science and Technology of Magnetic Oxides", проведенной в рамках "La Jolla International School of Science. The Institute For Advanced Physics Studies", La Jolla, США, 5-9 июля 1999 г.;

5. Euroconference: "Polarons: Condensation, Pairing, Magnetism" (Erice, Италия, 9—17 июня 1998 г.);

6. объединенная конференция MMM-Intermag (San-Francisco, США, 6-9 января, 1998 г.).

Соискатель делал доклады по результатам работы на ежегодных научных конференциях РНЦ "Курчатовский институт".

Соискателем была прочитана лекция по результатам диссертации в Royal Institute of Technology, в Стокгольме, Швеция. Там же была проведена серия научных семинаров.

Белова JI. М. является соавтором работы "Гигантский изотоп-эффект и другие низкотемпературные аномалии в манганитах", которая была признана Советом по низким температурам РАН одной из лучших за 1998 г., а также была удостоена премии имени И. В. Курчатова за лучшую научную работу 1998 г.

Белова Л. М. была отмечена компанией "Science Applications International Corporation" (США) за лучшую публикацию по физике за 1997 г. ("Giant magnetoresistive thin films of (La, Pr)o.j(Ca, Sr)ojMnOj prepared by aerosol MOCVD"), дважды удостаивалась премии конкурса работ молодых ученых имени И. К. Кикоина (в 1997 г. — первой премии, в 1998 г. — второй премии).

В заключение, пользуюсь случаем выразить глубокую признательность Леониду Александровичу Максимову за научное руководство и постоянный интерес к данной работе, Наталии Александровне Бабушкиной за научное руководство в течение многих лет, Екатерине Александровне Чистотиной за неоценимую помощь в работе и сотрудникам лаборатории ФСМ за большую помощь в экспериментальных исследованиях.

Также хочу выразить огромную признательность А. Р. Каулю и О. Ю. Горбенко за предложенную интересную тематику исследований и предоставление прекрасных образцов для экспериментальных исследований, а также группе профессора Бернарда Раво за предоставление образцов и плодотворное обсуждение полученных результатов, В. 3. Кресину и Э. Л. Нагаеву за подробные и важные обсуждения теоретических аспектов физических процессов, имеющих место в манганитах. Огромное спасибо шведским коллегам, в особенности профессору К. В. Рао за то, что он дал мне возможность воспользоваться уникальным оборудованием в его лаборатории для получения крайне интересных данных по намагниченности.

Огромная благодарность всем моим соавторам, благодаря которым стала возможной эта работа.

Заключение

Манганиты — это яркая физическая система с удивительными свойствами. В этих материалах необычайно сильны взаимодействия между структурными, орбитальными и спиновыми степенями свободы, что поразительным образом влияет на их транспортные и магнитные свойства. Изотоп-эффект в этой системе оказался прекрасным методом для понимания физики этой уникальной системы. Огромное количество исследований проводится в этом направлении, и еще многое предстоит сделать, прежде чем все аспекты природы эффектов в этих материалах полностью прояснятся. Я уверена, что интригующие качества этой системы, особенно в свете возможных приложений этих материалов, будут привлекать интерес исследователей в течении долгого времени.