Structural Characterization and Magnetic Interactions of La0.7Sr0.25Na0.05Mn1 - xAlxO3

Abstract

The magnetocaloric properties of manganite oxides La0.7Sr0.25Na0.05Mn1 − xAlxO3 (LSNMAlx) synthesized by sol-gel method were studied in detail. X-ray diffraction analyses showed a single rhombohedral phase with the R3-c space group. The inhomogeneous magnetic compartment coupled with the core-shell behavior was used to explain the magnetic properties and the evolution of the paramagnetic-ferromagnetic transition of the materials. Using a phenomenological model, the maximum values of magnetic entropy change (ΔSmax) decreased from 4.92 J kg−1 K for La0.7Sr0.25Na0.05MnO3 to 3.84 J kg−1 K for La0.7Sr0.25Na0.05Mn0.95Al0.05O3 upon an applied magnetic field of μ0H = 5 T, indicating an excellent quality of our samples as compared to many manganite oxides. The high quality of our samples was also checked by the large relative cooling power (RCP) which provides a good performance for industrial technologies in refrigeration devices.

The magnetocaloric effect properties for potential applications of magnetic refrigerator technology: a review

“…Substitution in PM materials is categorized into three groups: substitution at site-A, site-B, and vacancy. 18,[132][133][134][135][136][137][138][139][140][141] The determination of these three substitution methods in PM materials is based on considerations of ion valence, ion size, and crystal structure. 4.1.1 Substitution in A-sites of perovskite manganite systems.…”

Effects of Al3+ Doping on the Structure and Electrical Transport Property of La0.8Sr0.2Mn1-xAlxO3

“…为凝聚态物理领域的研究热点之一 [1][2][3][4] [5] 。掺杂 Sr 有望调控 LSMO 材料形成结构稳定的 CMR 材料, 获得金属 绝缘相变温度在室温附近。 CMR 效应与磁场和温度 密切相关, 因此在较低的磁场和室温下很难获得显 著的 CMR 效应。 近年来, 许多研究小组在 La 1-x Sr x MnO 3 系统中 用磁性或非磁性元素取代 La 或 Mn, 期望得到更好 的 CMR 效 应 。 随 着 La 和 Mn 位 置 的 掺 杂 , Mn 3+ /Mn 4+ 离子比例、Mn-Mn 距离和 Mn-O-Mn 键 角均会被改变, 进而广泛影响系统的磁电性质。Liu 等 [6] 研究了 La 0.7-x Ho x Sr 0.3 MnO 3 的输运性质, 观察到 Ho 引起了 A 位平均离子半径和 Mn-O-Mn 键角减 小, 削弱双交换作用, 导致电阻率增加。Ngan 等 [7] 报道了 La 0.7 Sr 0.3 Mn 1-x Co x O 3 的电学性质, 证明其电 阻率数据符合变程跳跃模型, 且随 Co 掺杂浓度增 加, 跳跃距离缩短，且平均跳跃能量减小。Chu 等 [8] 在 La 0.67 Sr 0.33 MnO 3 中 La 位掺入 Ag 2+ , 使载流子带 宽变化, 获得了接近室温时 16.9%的相对电阻率温 度系数 TCR, 表明此类材料在高灵敏度红外传感器 上的应用潜力。目前为止, 对 Mn 位的磁性离子以 及 La 位离子取代已经进行了广泛的研究, 但对 Mn 位的非磁性离子取代研究较少且探究较为浅显。非 磁性离子在 Mn 位的掺杂效应非常重要, Mn 位掺杂 是修饰关键 Mn 3+ -O-Mn 4+ 网络的有效方法。通过改 变 Mn 3+ /Mn 4+ 离子之间的相互作用, 可以显著影响 双交换效应/离子网络, 反过来又在很大程度上影响 其物理性质以及 CMR。已有研究表明非磁性离子 Al 3+ 掺杂的 Pr 0.67 Sr 0.33 Mn 1-x Al x O 3 中电导率曲线符合 Jonscher 幂律, 且活化能随 Al 3+ 含量增大而增加 [9] 。 La 0.7 Sr 0.25 Na 0.05 MnO 3 中掺杂 Al 3+ 会在室温下产生较 大的磁热效应, 可用于磁制冷领域, 作为传统磁制 冷剂的替代品 [10] 。因此, 掺杂非磁性 作用和较强的 Jahn-Teller 效应 [6,11] 散射, 2)来自样品内杂质缺陷引起的电子散射, 3)晶 界对电子的散射作用。如表 1 所示, 随着 Al 3+ 掺杂 量增大, 平均晶粒尺寸从 42.3 nm 增大到 59.2 nm, 晶界占比减小使得晶界散射效应减弱, 从而使样品 的导电能力提高。这一预计结果与实验现象相反, 说明晶界散射不是影响 LSMAO 电输运的主导因 素。随着 Al 3+ 掺杂增大, 电阻率增大可能和两个因 素有关: 1)载流子浓度降低, Al 3+ 替代 Mn 3+ , 减少了 Mn 3+ 、Mn 4+ 载流子浓度, 破坏 Mn 3+ -O 2--Mn 4+ 双交 换通道, 导致载流子密度减小, 电阻率增大；2)磁无 序程度增大, Al 3+ 掺杂后在铁磁团簇中形成金属渗 流通道, 使金属相减少, 绝缘相增多, 进一步导致 电阻率的增大。大小不一的铁磁团簇无规则分布于 样品之中, 而不同尺寸的团簇具有不同的金属绝缘 相变温度, 对磁场的响应也不同。 故外加磁场后, 金 属绝缘相变的峰宽变大。 此外, 在磁场条件下, 电阻 率减小可能是由于磁场的应用导致磁矩的局部有序 化。由于这种有序性, 铁磁金属状态抑制顺磁绝缘 状态, MIT 向高温区域移动。在空穴掺杂的 LaMnO 3 化合物中也观察到类似现象 [13][14] 。 为研究样品的微观导电机制, 对样品的电输运 数据进行拟合(如图 3)。在低温金属相区域, 钙钛矿 锰氧化物系统的电阻率主要与不同的散射机制有关, 包括晶界散射、电子-电子散射、电子-声子散射、 电子-磁振子散射 [15][16] 。 不同散射机制对电阻率贡献 的相对强度尚不清楚。用不同的电阻率表达式来拟 合低温下的传导机制。低温区的唯象方程一般为温 度的幂函数, 对 x=0 和 0.05 样品的金属相部分用公 式(1)进行拟合。…”