[论文解读] Multiphase segregation and metal-insulator transition in single crystal La(5/8-y)Pr(y)Ca(3/8)MnO3

V. Kiryukhin, B. G. Kim+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2000

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用 5

一句话总结

该论文提出了一种改进的渗透模型，用于解释单晶La₅/₈₋yPrᵧCa₃/₈MnO₃（y ≈ 0.35）中的绝缘体-金属转变，该转变源于此前未被考虑的顺磁性绝缘相（I2）中铁磁金属畴的生长，而非电荷有序相（CO）的减少。尽管在T_MI ≈ 70 K处CO峰未出现异常，电阻率却急剧下降，表明CO相并非转变的驱动力；低温下X射线辐照可破坏CO序并诱导金属性，暗示高温与低温转变机制不同。

ABSTRACT

The insulator-metal transition in single crystal La(5/8-y)Pr(y)Ca(3/8)MnO3 with y=0.35 was studied using synchrotron x-ray diffraction, electric resistivity, magnetic susceptibility, and specific heat measurements. Despite the dramatic drop in the resistivity at the insulator-metal transition temperature Tmi, the charge-ordering (CO) peaks exhibit no anomaly at this temperature and continue to grow below Tmi. Our data suggest then, that in addition to the CO phase, another insulating phase is present below Tco. In this picture, the insulator-metal transition is due to the changes within this latter phase. The CO phase does not appear to play a major role in this transition. We propose that a percolation-like insulator-metal transition occurs via the growth of ferromagnetic metallic domains within the parts of the sample that do not exhibit charge ordering. Finally, we find that the low-temperature phase-separated state is unstable against x-ray irradiation, which destroys the CO phase at low temperatures.

研究动机与目标

• 理解单晶La₅/₈₋yPrᵧCa₃/₈MnO₃（y ≈ 0.35）中绝缘体-金属转变的微观起源。
• 解决在T_MI ≈ 70 K处电阻率急剧下降与该温度以下电荷有序（CO）峰持续增长之间的矛盾。
• 明确低温相分离状态下电荷有序相、铁磁金属相及额外绝缘相的作用。
• 研究晶格缺陷与应变对低铁磁相含量锰氧化物中导电通路形成的影响。
• 考察X射线辐照对电荷有序相与金属相稳定性的影响。

提出的方法

• 利用同步辐射X射线衍射探测电荷有序与轨道有序，包括随温度变化的衍射峰强度与关联长度。
• 通过电学电阻率测量追踪T_MI ≈ 70 K处的绝缘体-金属转变。
• 通过磁化率与比热测量表征磁性与电子相变。
• 分析X射线辐照对低温相分离态的影响，评估CO相的稳定性及金属性的出现。
• 通过磁化率数据估算铁磁金属相的体积分数，发现在某些样品中其含量极低（如2.5%）。
• 对比多个名义y ≈ 0.35的样品，评估成分与制备工艺差异对相行为的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何在T_MI ≈ 70 K处电阻率急剧下降，尽管该温度以下电荷有序峰仍在持续增长？
• RQ2 在T_CO ≈ 200 K以下与电荷有序相及铁磁金属相共存的额外绝缘相（I2）具有何种本质？
• RQ3 为何铁磁金属相体积分数极低（如2.5%）仍能导致电阻率下降超过两个数量级？
• RQ4 晶格缺陷与应变在低铁磁相含量锰氧化物中促进丝状导电通路形成中扮演何种角色？
• RQ5 高温绝缘体-金属转变与低温X射线诱导转变是否具有相同的微观机制？

主要发现

• 在T_MI ≈ 70 K处，电荷有序（CO）相的体积分数并未减少；相反，CO衍射峰强度持续增强，表明相未发生耗尽。
• 绝缘体-金属转变并非由CO相减少引起，而是源于此前未被识别的顺磁性绝缘相（I2）内部的变化。
• 在某些样品中，低温铁磁金属相的体积分数极低（如2.5%），表明其可能具有丝状或渗流结构特征。
• 低温下X射线辐照可破坏CO态并诱导金属态，表明低温光诱导转变可能不涉及与高温转变相同的相。
• 绝缘体-金属转变机制比简单的铁磁畴在CO基体中渗流更为复杂；其本质是金属畴在I2相中的生长。
• 提出晶格缺陷及其引发的应变在低铁磁相含量样品中促进导电通路形成中起关键作用。