SUPERVISOR
Parviz Kameli,Hossien Ahmadvand
پرویز کاملی (استاد راهنما) حسین احمدوند (استاد مشاور)
STUDENT
Mahdi Zarifi
مهدی ظریفی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده فیزیک
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1391
TITLE
Structural, Electrical and Magnetic Properties of Manganites Under The Intrinsic and Extrinsic Stress
In this thesis, the effect of intrinsic and exrtinsic stress on manganese oxides (manganites) has been investigated. The crystalline structure of these compounds is octahedral, and the strain is created by the changes in the octahedral. Many factors can lead to stre however, the atoms with different ionic radii will create intrinsic stress and the lattice mismatch between film and substrate creates an exrtinsic stress. Accordingly, the effect of intrinsic and exrtinsic stress on three structures, i.e., La 0.8 - x A x Sr 0.2 MnO 3 (LASMO) with a strong ferromagnetic phase, La 0.4 Pr 0.3 Ca 0.3 MnO 3 (LPCMO) structure with the coexistence of ferromagnetic and antiferromagnetic phases, and La 0.5 Ca 0.5 MnO 3 (LCMO) with strong charge order was investigated, and the results are reported in three separate sections. In the first section, the effect of the inherent stress caused by the doping of atoms (Ce, Pr, Nd, Gd) at the lanthanum position in the LSMO structure was investigated. The samples indicate the single-phase formation to Pr and Nd doping, but it reveals a secondary phase in Ce and Gd doping. By increasing concentration in Pr and Nd doping, Curie temperature shifts to lower temperature, while the Gd and Ce doping Curie temperature does not behavior regularly. Spin glass phenomena occurs in Pr and Nd doping, but there is no spin glass in Gd and Ce doping. However, the electrical behavior of the samples is in good agreement with the magnetic behavior. Increasing the Pr doping reduces the entropy changes and the amount of RCP. The samples with 2‰ fixed doping have a second order phase transition for Pr, Nd, and Ce atoms. The obtained values of entropy changes of the samples under an applied magnetic field of 25 kOe are 3.50, 2.64 and 3.34J kg -1 K -1 for Ce, Pr and Nd doped samples, respectively. The RCP values of LSMO, Nd and Pr doped samples at 2.5T are 112.84, 121.24 and 136.22Jkg -1 , respectively. In the second part, the effect of inherent stress caused by the replacement of Pb and Al elements in the position of Ca and Mn in LCMO, respectively, and the exrtinsic stress created by a change in the thickness of the LCMO films on the LAO and STO substrates were investigated. With the increase of Al concentration in the LCMO structure, the phase coexistence decreases. Moreover, magnetization curves in FC and ZFC modes are different fit in doping less than 0.1, while they coincide with higher doping. Such behavior is also observed in measuring electrical resistivity of samples. The Pb substitution with a larger ion radius compared with Ca in the LCMO structure increases the ferromagnetic phase and Curie temperature. The entropy changes enhanced with the increase of Pb to 0.1 doping and then decreased in 0.2 doping. The RCP value for the pure sample represents the highest value and has the lowest value at x=0.1. In the following, the exrtinsic stress caused by the change in thickness and the substrate effects in the LCMO structure was investigated. In the STO films, decreasing the thickness of the CE strengthened the antiferromagnetic phase. Therefore, in this phase the saturation magnetization decreases and in the magnetic field of 9 Tesla, phase transition is not observed. For LAO films, there exists the CE antiferromagnetic phase in high thicknesses, while decreasing thicknesses leads to the emergence of a C-type AFM state. At high thickness, transition temperature was observed for the fields above 4T, while transition temperature decreased by increasing magnetic fields. In the third section, the effect of pulse repetition rate, thickness and stress on the thin films of the LPCMO structure was investigated. At pulse repetition rate of 2, 5, and 7 Hz, the strain was equal, while it increased at 10 Hz. The Curie temperature is consistent with the temperature of the metal insulator transition in the different repetition rate and thicknesses. Measurements of magnetization in both ZFC and FCC states indicate that there is a dead layer in the 10-Hz sample; therefore, the resistance increase and saturation magnetization decreace for this sample. Also, in the lower thickness, the dead layer forms in between the film and substrate interfaces. Finally, the effect of tensile stress caused by the NGO substrate was studied by changing the layering conditions (changing the substrate distance from the target) as well as the annealing of the layers. When the substrate's distance from the target is high, the layers grow epitaxially, while with reducing the distance, there is a polycrystalline growth in addition to the growth along the substrate. The measurement of AMR was performed in fields less than one Tesla, which revealed the highest value for non-annealed samples in the range of 0.5-0.7 Tesla.
در این پایان نامه اثر تنش ذاتی و غیرذاتی بر روی اکسیدهای منگنز (منگنایت ها) بررسی شده است. ساختار بلوری این ترکیبات هشت وجهی می باشد که تنش به واسطه تغییر هشت وجهی ایجاد می شود. عوامل زیادی منجر به ایجاد تنش خواهد شد که آلایش اتم ها با شعاع یونی متفاوت تنش ذاتی و لایه نشانی بر روی زیرلایه ها تنش غیرذاتی ایجاد خواهد کرد. بر این اساس تاثیر تنش ذاتی و غیرذاتی بر روی سه ساختار La 0.8-x A x Sr 0.2 MnO 3 (LASMO) با فاز فرومغناطیس قوی، ساختار La 0.4 Pr 0.3 Ca 0.3 MnO 3 (LPCMO) که فازهای فرومغناطیس و پادفرومغناطیس همزیست می باشند و La 0.5 Ca 0.5 MnO 3 (LCMO) با نظم بار قوی بررسی شد که نتایج کار در سه بخش گزارش شده است. در بخش اول اثر تنش ذاتی ناشی از آلایش اتم های (Ce, Pr, Nd, Gd) در جایگاه لانتانیم در ساختار LSMO بررسی شده است. نمونه ها با آلایش Pr و Nd تکفاز بوده اما با آلایش Ce و Gd فاز ثانویه در نمونه ها وجود دارد. در نمونه های آلایش یافته با Pr و Nd با افزایش میزان آلایش، دمای کوری کاهش می یابد در حالیکه در آلایش های Gd و Ce روند منظمی تکرار نمی شود. در آلایش های Pr و Nd پدیده شیشه ی اسپینی مشاهده می شود اما در آلایش های Gd و Ce رفتار شیشه ی اسپینی وجود ندارد. رفتار الکتریکی نمونه ها با رفتار مغناطیسی هم خوانی خوبی دارد. افزایش آلایش Pr باعث کاهش تغییرات آنتروپی و مقدارRCP خواهد شد. نمونه ها در آلایش ثابت 2/0 برای اتم های Pr ، Nd و Ce گذار فاز مرتبه دوم دارند. تغییرات آنتروپی مغناطیسی در میدان 5/2 تسلا برای آلایش های Ce، Pr و Nd به ترتیب مقادیر 5/3، 64/2 و 34/3 و برای نمونه ی بدون آلایش مقدارj/kgK 2/3 به دست آمد. مقدار RCP برای آلایش های Pr، Nd و نمونه ی خالص به ترتیب 22/136، 24/121 و 84/112 ژول بر کیلوگرم به دست آمد. در بخش دوم اثر تنش ذاتی ناشی از آلایش عناصر سرب در جایگاه کلسیم و آلومینیم در جایگاه منگنز و همچنین تنش فیزیکی ناشی از تغییر ضخامت بر روی زیرلایه های LAO و STO در ساختار LCMO بررسی شد. با افزایش آلایش آلومینیم در ساختار LCMO همزیستی فاز کاهش می یابد. منحنی مغناطش در حالت FC و ZFC در آلایش های کمتر از 1/0 بر هم منطبق نمی شوند در حالیکه در آلایش های بالاتر بر هم منطبق می شوند. چنین رفتاری در اندازه گیری مقاومت الکتریکی نمونه ها نیز مشاهده می شود. جانشینی سرب با شعاع یونی بزرگتر نسبت به کلسیم در ساختار LCMO باعث افزایش فاز فرومغناطیسی و دمای کوری می شود. با افزایش آلایش تا 1/0=x تغییرات آنتروپی افزایش و سپس در آلایش 2/0 کاهش می یابد. مقدار RCP برای نمونه ی خالص بیشترین مقدار را نشان می دهد و در آلایش 1/0=x کمترین مقدار را دارد. در ادامه تنش غیرذاتی ناشی از تغییر ضخامت و اثرات زیر لایه در ساختار LCMOبررسی شد. در زیرلایه ی STO با کاهش ضخامت فاز پاد فرومغناطیس نظم بار تقویت شده است، بنابراین در این فاز مغناطش اشباع کاهش می یابد بطوریکه در میدان مغناطیسی 9 تسلا نیز گذار فازی مشاهده نمی شود. برای لایه های LAO در ضخامت های بالا نظم بار وجود دارد، در حالی که ضخامت های پایین به فاز پاد فرومغناطیس نوع C گذار کرده اند. در ضخامت بالا تحت میدان 4، 7 و9 تسلا گذار صورت گرفته است و با کاهش ضخامت در میدان بالاتری گذار می کند. در بخش سوم تاثیر سه عامل نرخ تکرار پالس، ضخامت و تنش ناشی از زیرلایه های مختلف بر روی لایه های نازک ساختار LPCMO بررسی شد. در نرخ تکرار پالس 2، 5 و 7 هرتز میزان تنش برابر بود، در حالیکه در 10 هرتز افزایش یافته است. دمای کوری با دمای گذار عایق فلز در نرخ تکرار پالس و ضخامت مختلف همخوانی خوبی دارد. اندازه گیری مغناطش بر حسب میدان در دو حالت ZFC و FCC نشان می دهد که در نمونه ی 10 هرتز لایه مرده وجود دارد، بنابراین مقاومت افزایش و مغناطش اشباع کاهش می یابد. همچنین در ضخامت های پایین نیز لایه مرده در بین سطوح تشکیل می شود. در نهایت تاثیر تنش کششی ناشی از زیرلایه ی NGO با تغییر شرایط لایه نشانی (تغییر فاصله زیرلایه از هدف) و همچنین بازپخت لایه ها بررسی شد. هنگامی که فاصله زیرلایه از هدف زیاد باشد لایه ها رشد همبافت دارند در حالیکه با نزدیک کردن فاصله، علاوه بر رشد در راستای زیرلایه، رشد بس بلوری نیز وجود دارد. رفتار مقاومت نشان می دهد که در فاصله ی زیاد زیرلایه-هدف همزیستی فاز ایجاد شده بعد از بازپخت به فاز نظم اربیتال بار تبدیل می شود. در حالتی که فاصله کمتر می شود رشد فاز فرومغناطیسی در لایه مشاهده می شود که بعد از بازپخت رفتار دو قله ای در نمونه ظاهر می شود. اندازه گیری AMR در میدان های کمتر از یک تسلا انجام شد که برای نمونه های بازپخت نشده بیشترین مقدار در بازه ی میدانی 5/0-7/0 تسلا بدست آمد.