李 玉，郭子心，戚大偉

(東北林業(yè)大學(xué))

0 引言

隨著時(shí)代的發(fā)展，日新月異的科技產(chǎn)品已經(jīng)不斷的融入到人們的日常生活中，對(duì)于新材料的研制，新能源的開發(fā)也越來越迫在眉睫.凝聚態(tài)這門學(xué)科隨即被重視起來.到了20世紀(jì)中后期，半導(dǎo)體物理已經(jīng)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，各種半導(dǎo)體材料因其優(yōu)越性能夠更加適合人類生活.家里用的電視機(jī)，CD機(jī)磁頭，醫(yī)院的CT等醫(yī)療設(shè)備都離不開半導(dǎo)體和磁性材料.尤其是鈣鈦礦型錳氧化物，這類化合物表現(xiàn)出非常豐富復(fù)雜的現(xiàn)象.包括巨磁阻龐磁阻等效應(yīng)［1－3］，深受研究人員的注意.這類材料中，電荷，自旋以及晶格自由度之間存在相互競(jìng)爭(zhēng)耦合現(xiàn)象［4］.并引發(fā)了包括金屬絕緣(M－I)相互轉(zhuǎn)變，相態(tài)分離，變磁相變和晶格畸變等奇特物理現(xiàn)象［5］.該研究利用高溫固相反應(yīng)法來制備鈣鈦礦錳氧化物Nd0.5Ca0.5Mn0.85Al0.15O3樣品，并用XRD確定其晶體結(jié)構(gòu)，進(jìn)而來研究其產(chǎn)生諸多現(xiàn)象的內(nèi)在機(jī)理.很多中年人佩戴的保健項(xiàng)鏈和手鐲，都是通過釋放弱磁場(chǎng)等效應(yīng)達(dá)到對(duì)人體的益處的.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 樣品的制備

該文選用高溫固相反應(yīng)法來獲得樣品

Nd0.5Ca0.5Mn0.85Al0.15O3.所需的原材料為高純度的 Nd2O3，CaCO3，MnO2，Al2O3.對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)燒除去樣品中水分和其他雜質(zhì).之后按照計(jì)算出來的比例稱量各藥品質(zhì)量并在瑪瑙研缽中攪拌使其混合均勻并充分研磨.再用壓片機(jī)和模具把混合物壓成圓片灼燒.灼燒過程分4次進(jìn)行，前2次使其被壓成25 mm規(guī)格在1100℃下燒24h.后2次壓成13 mm并用1300℃溫度燒結(jié).這樣反復(fù)進(jìn)行便得到所需單相多晶樣品 Nd0.5Ca0.5Mn0.85Al0.15O3.整個(gè)操作過程和環(huán)節(jié)所接觸工具均用酒精棉反復(fù)擦拭確保其無污染，進(jìn)而來得到高純度的樣品.

1.2 樣品的測(cè)量和定性

對(duì)于本樣品晶格參數(shù)方面的確定，采用的是X射線衍射方法，XRD的測(cè)量步長(zhǎng)選0.02°.性質(zhì)分析采用美國(guó)量子公司的物理性質(zhì)測(cè)量系統(tǒng)(PPMS)，選用ACMS插件對(duì)其M－T，M－H等曲線進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量溫區(qū)為2 ～340 K，外場(chǎng)的范圍為－8.0 ～8.0 T.

2 結(jié)果與分析

2.1 XRD下的測(cè)量結(jié)果

將樣品研磨成粉末狀進(jìn)行XRD測(cè)量.圖1為Nd0.5Ca0.5Mn0.85Al0.15O3樣品在室溫下的 XRD 衍射圖譜.分析表明樣品具有很好的單相性，為正交結(jié)構(gòu)，空間群為Pnma.

圖1 Nd0.5Ca0.5Mn0.85Al0.15O3 粉末 XRD 譜圖

2.2 物理性質(zhì)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果與分析

將樣品磨成1×2×3 mm大小的形狀保持樣品純凈放入儀器的測(cè)量樣品腔中，之后調(diào)試控制器使腔內(nèi)真空.

圖2 展示了樣品 Nd0.5Ca0.5Mn0.85Al0.15O3的磁化強(qiáng)度隨溫度變化曲線(M－T).圖中兩條曲線分別為零場(chǎng)和有場(chǎng)冷卻.具體過程是在無外場(chǎng)情況下溫度均勻降低到2 K.隨即加上0.01 T強(qiáng)度的外場(chǎng)均勻升溫至340 K測(cè)得ZFC升溫曲線.再次在0.01 T環(huán)境下降溫至2 K，升溫測(cè)FC曲線.研究發(fā)現(xiàn)在未摻雜 Al的 Nd0.5Ca0.5MnO3母相樣品常溫為順磁性，T=249 K時(shí)出現(xiàn)電荷有序峰TCO，T=160 K處轉(zhuǎn)變?yōu)榉磋F磁性［6］.對(duì)照發(fā)現(xiàn)在摻雜Al元素的樣品 Nd0.5Ca0.5Mn0.85Al0.15O3中并沒有出現(xiàn)TCO溫度以及向反鐵磁的轉(zhuǎn)變.這可能是Al3+的加入代替了Mn3+改變了Mn3+，Mn4+之間的比例，導(dǎo)致電荷有序遭到破壞［7］.圖中在T=62 K附近ZFC和FC逐漸開始出現(xiàn)分叉，此時(shí)發(fā)生相分離.在T=32 K處在ZFC曲線上有寬峰，此處應(yīng)為磁有序的凍結(jié)溫度Tf，此時(shí)鐵磁反鐵磁共存，這種狀態(tài)稱自選玻璃態(tài)［8］.隨著溫度的進(jìn)一步降低，在T=4 K附近又出現(xiàn)一個(gè)峰值，應(yīng)為自旋阻塞溫度［9］.樣品為典型的自旋玻璃材料和相分離材料.

圖2 Nd0.5Ca0.5Mn0.85Al0.15O3的ZFC和FC磁化強(qiáng)度曲線

圖3 為樣品 Nd0.5Ca0.5Mn0.85Al0.15O3在 2 K 環(huán)境下磁化強(qiáng)度隨外場(chǎng)的變化關(guān)系即磁滯回線(M－H).磁滯回線是材料的重要特征，能反映出樣品的飽和磁化強(qiáng)度，剩余磁化強(qiáng)度等信息［10］.從圖中可以看到，即便外場(chǎng)增加到8 T強(qiáng)度，樣品磁化強(qiáng)度曲線依然在上升，也并未飽和，沒有臺(tái)階狀的變磁相變特征.摻雜Al之后曲線與母相樣品M－H曲線的行為相比較鐵磁性質(zhì)和矯頑力不是很明顯.這現(xiàn)象可能是由于鋁元素的進(jìn)入，所產(chǎn)生的Mn4+隨機(jī)地分布在樣品中，Al3+與Al3+，Mn4+與Mn4+之間的超交換作用和Mn3+與Mn4+之間的雙交換導(dǎo)致低溫下反鐵磁和鐵磁性的相競(jìng)爭(zhēng)從而抑制了鐵磁性［11］.

圖3 Nd0.5Ca0.5Mn0.85Al0.15O3在2 K下的磁滯回線

為了更清楚的觀察和研究，圖4中是放大了的磁滯回線，磁場(chǎng)強(qiáng)度在－2～2 T，能看出曲線第一分支采點(diǎn)較密集.由此圖展示了樣品具有明顯的磁滯現(xiàn)象，這是鐵磁性的特征，表明樣品具有鐵磁性.這應(yīng)該是 Al3+的摻入破壞了 Nd0.5Ca0.5MnO3的長(zhǎng)程有序反鐵磁結(jié)構(gòu)［12］，形成了隨機(jī)分布的局域性的鐵磁極化因子或者鐵磁團(tuán)簇［13］，加上原來的剩余的反鐵磁因子，便形成現(xiàn)在的鐵磁與反鐵磁共存態(tài).

圖4 放大后的樣品磁滯回線

3 結(jié)論

該文采用高溫固相反應(yīng)法制備樣品

Nd0.5Ca0.5Mn0.85Al0.15O3，通過 XRD 測(cè)定樣品為單相正交結(jié)構(gòu).此樣品在62 K左右發(fā)生相分離，此時(shí)鐵磁與反鐵磁共存.磁有序凍結(jié)溫度Tf=32 K.自旋阻塞溫度為4 K.樣品在2 K下磁滯回線表明樣品具有明顯磁滯，8 T時(shí)磁化強(qiáng)度未達(dá)到飽和，沒發(fā)現(xiàn)有臺(tái)階狀變磁相變.

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