Chương 3 : KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.3 Điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ của hệ mẫu La2/3Pb1/3Mn1-xCo xO3 (x=0.00
(x = 0.00 0.30) trong vùng từ trường thấp H = 0.00 – 0.40T
Điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ của các mẫu La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3 (x = 0.00
0.30) được đo trong từ trường H = 0.0T và trong từ trường H = 0.4T. Hình 3.8 là
Hình 3.8: Điện trë phơ thc nhiƯt ®é cđa mÉu x = 0 trong tr-êng hỵp tõ tr-êng H = 0.0T vµ H = 0.4T.
trạng thái khơng có từ trường (H = 0.0T) (đường nằm phía trên) và trong trạng thái có từ trường H = 0.4T (đường nằm phía dưới). Dạng đồ thị cho thấy tính dẫn điện của mẫu chuyển từ tính dẫn kiểu kim loại (trong vùng T<270K) sang tính dẫn kiểu điện mơi/bán dẫn khi nhiệt độ tăng. Nhiệt độ chuyển pha kim loại – điện môi/bán dẫn (TP) được xác định bằng điểm cực đại trên đường cong R(T). Đối với mẫu La2/3Pb1/3MnO3 (x = 0.0) chúng tôi xác định được TP = 265K trong trạng thái khơng có từ trường (H = 0.0T) và TP = 270K khi mẫu được đặt trong từ trường H = 0.4T.
Có thể giải thích dáng điệu của các đường cong điện trở trong trường hợp mẫu khơng chịu tác dụng của từ trường ngồi (H = 0) như sau: Trong vùng nhiệt độ T > TP, cường độ của tương tác DE chưa đủ lớn đồng thời giảm dần khi nhiệt độ
tăng và hoàn toàn biến mất khi mẫu ở trạng thái thuận từ. Quá trình này làm tăng hiện tượng tán xạ từ, do đó điện trở của mẫu tăng lên. Tuy nhiên, khi tăng nhiệt độ của mẫu thỡ nồng độ hạt tải sinh ra do năng lượng nhiệt lớn hơn, quá trình này chiếm ưu thế, dẫn đến sự giảm điện trở của mẫu.
Trong vùng nhiệt độ T < TP, nhiệt độ càng giảm, năng lượng dao động nhiệt của các điện tử càng giảm và tương tác DE càng trở nên thống trị. Sự thống trị của tương tác DE một mặt làm cho các điện tử eg trở nên linh động hơn (vì khi đó xác suất truyền điện tử từ quỹ đạo eg của ion Mn3+ sang ion Mn4+ là lớn) dẫn đến sự tăng của nồng độ hạt tải. Đồng thời sự tăng độ linh động của các điện tử eg cũng làm giảm méo mạng JT. Mặt khác, tương tác DE thiết lập trong mẫu một trật tự sắt từ, nhiệt độ càng thấp tương tác DE càng mạnh, trật tự sắt từ được thiết lập càng hồn hảo, nú làm giảm q trình tán xạ từ của các điện tử dẫn (điều này đã được giải thích trong chương I theo cơ chế tán xạ phụ thuộc spin). Như vậy, sự gia tăng nồng độ hạt tải, sự giảm méo mạng JT và giảm tán xạ từ là ba nguyên nhân chính dẫn đến sự giảm điện trở của mẫu khi nhiệt độ giảm xuống trong vùng T<TC.
Trong trường hợp mẫu chịu tác dụng của từ trường H = 0.4T, so với trường hợp H = 0.0T điện trở của mẫu giảm mạnh ở vùng lân cận nhiệt độ chuyển pha kim loại - điện mơi/bán dẫn, ở cả hai phía nhiệt độ cao (T>TP) và nhiệt độ thấp (T<TP), hai đường cong điện trở R(T) tại H = 0.0T và H = 0.4T về nguyờn tắc sẽ dần dần trở
nên gần nhau hơn và tiến đến trùng nhau. Nguyên nhân gây ra hiện tượng này là khi nhiệt độ đủ thấp tương tác DE trở nên thống trị, trật tự sắt từ được thiết lập, làm cho các điện tử eg trở nên rất linh động và méo mạng Jahn-Teller hầu như biến mất. Các yếu tố này làm cho điện trở của mẫu giảm xuống còn khá nhỏ và ổn định ngay cả khi có từ trường tác dụng lên mẫu. Trong vùng nhiệt độ cao (T > TP), dao động nhiệt chiếm ưu thế, spin của các điện tử sắp xếp hỗn độn nên từ trường ngoài H = 0.4 T không đủ mạnh để làm thay đổi độ lớn điện trở của mẫu.
Từ hình 3.8 chúng tơi cịn nhận thấy: Khi đặt từ trường H = 0.4T vào mẫu thì giá trị cực đại của điện trở dịch chuyển về phía nhiệt độ cao. Điều này là do từ trường ngồi có tác dụng định hướng các mơmen từ của điện tử theo hướng của từ trường, dẫn đến trạng thái sắt từ được thiết lập và trở nên chiếm ưu thế sớm hơn so với trường hợp mẫu không chịu tác dụng của từ trường ngồi. Trong trạng thái có từ trường, trật tự sắt từ được thiết lập sớm hơn đồng nghĩa với việc mẫu chuyển từ trạng thái dẫn điện kiểu bán dẫn sang kim loại tại một nhiệt độ cao hơn so với trường trường hợp khơng có từ trường.
TP = 251K
TP = 247K
T (K).
Hình 3.9: Điện trở phụ thuộc nhiệt độ của mẫu x = 0.05 trong trường hợp từ trường H = 0.0T và H = 0.4T.
Tương tự như trên, hình 3.9 và hình 3.10 là các đường cong điện trở phụ thuộc nhiệt độ của các mẫu La2/3Pb1/3Mn0,95Co0,05O3 (mẫu pha tạp x = 0.05) và La2/3Pb1/3Mn0,9Co0,1O3 (mẫu pha tạp x = 0.10). Nhiệt độ chuyển pha kim loại – bán dẫn/điện môi đã được xác định. Đối với mẫu pha tạp x = 0.05 nhiệt độ TP = 247 K trong từ trường H = 0.0 T và TP = 251 K trong từ trường H = 0.4 T. Đối với mẫu pha tạp x = 0.10 nhiệt độ TP = 190 K trong từ trường H = 0.0 T và TP = 198 K trong từ trường H = 0.4 T. TP=198 K TP=190 K La2/3Pb1/3Mn0,90Co0,10O3 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 100 150 200 250 300 350 T (K) R H = 0.4 T H = 0.0 T TP=190K TP=198K
Hình 3.10: Điện trở phụ thuộc nhiệt độ của mẫu x = 0.10 trong trường hợp từ trường H = 0.0T và H = 0.4T.
Bảng 3.3 : Nhiệt độ chuyển pha kim loại – bán dẫn/điện môi của các mẫu nghiên cứu dưới tác dụng của từ trường
STT Mẫu nghiên cứu TP (K)
TP (H=0.0T) TP (H=0.4T) 1 La2/3Pb1/3MnO3 265 270 2 La2/3Pb1/3Mn0,95Co0,05O3 247 251 3 La2/3Pb1/3Mn0,9Co0,1O3 190 198 4 La2/3Pb1/3Mn0,8Co0,2O3 5 La2/3Pb1/3Mn0,7Co0,3O3
Hình 3.11 là các đường cong điện trở phụ thuộc nhiệt độ của mẫu ứng với (x = 0.2 và x = 0.3) trong trạng thái khơng có từ trường H = 0.0T (đường nằm phía trên) và trong từ trường H = 0.4T. Từ đường cong này ta có một số nhận xét sau:
Không thấy xuất hiện nhiệt độ chuyển pha TP trong dải nhiệt độ khảo sát. Có thể giải thích hiện tượng này như sau: tại các vị trí Co3+
thay thế cho Mn3+ đã hình thành nên những vùng bán dẫn (hoặc điện môi) phá vỡ liên kết giữa các vùng kim loại sắt từ. Khi nồng độ pha tạp đủ lớn, những vùng bán dẫn/điện môi tạo thành những vùng biên cô lập các đám sắt từ nên nhiệt độ chuyển pha kim loại - điện môi (TP) không quan sát thấy.
Đường cong điện trở trong trường hợp có từ trường (H = 0.4T) và trong trường hợp khơng có từ trường tách nhau xa dần khi nhiệt độ giảm. Khi có từ trường điện trở của mẫu giảm.
Giá trị điện trở của mẫu ở cùng một nhiệt độ xác định tăng khi nồng độ pha tạp Co tăng từ 20% lên 30%.
Tại nhiệt độ T = 195K đối với mẫu pha tạp 30% Co có dấu hiệu cho thấy, có thể tồn tại trạng thái chuyển pha trật tự điện tích (TCO).
Trong vùng nhiệt độ khảo sát, các đường cong điện trở phụ thuộc nhiệt độ của các mẫu La2/3Pb1/3Mn1-xCoxO3 (x = 0.2 và x = 0.3) có dạng gần giống với dạng
đường cong điện trở phụ thuộc vào nhiệt độ của chất bán dẫn. Chúng tôi đã làm khớp các số liệu của R(T) với hàm bán dẫn :
g B E k T O R R e (*)
Trong đó : R là điện trở của mẫu() , T là nhiệt độ (K)
R0 là hằng số
Eg là độ rộng vùng cấm (eV), cịn gọi là năng lượng kích hoạt kB là hằng số Boltzmann (kB = 8.617.10-5 eV/K)
Từ phương trình (*) chúng tơi có thể xác định được độ rộng vùng cấm Eg. Lấy logarit 2 vế phương trình (*) ta được:
lnR = lnR0 + Eg/kB . 1/T (**) Đặt : lnR = y, 1/T = x ta được hàm tuyến tính :
y = lnR0 + Eg/kB . x
Từ số liệu của đường cong R(T) và dùng phương pháp xấp xỉ hàm Linear trong phần mềm Origin ta thu được giá trị của hằng số R0 và độ rộng vùng cấm Eg. Các giá trị thu được từ phương trình (*) được đưa ra trong bảng 3.4.
Ngoài ra dùng phép xấp xỉ hàm
A x
y C.e trong phần mềm Origin cũng cho các giá trị của R0 và Eg tương tự như bảng 3.4.
Bảng 3.4 : Giá trị của hằng số R0 và năng lượng kích hoạt Eg
Mẫu La2/3Pb1/3Mn0,8Co0,2O3 Mẫu La2/3Pb1/3Mn0,7Co0,3O3 H = 0 T H = 0,4 T H = 0 T H = 0,4 T
Ro 0,163 0,152 0,177 0,166
Eg (eV) 0,091 0,084 0,098 0,095
Từ bảng 3.4 nhận thấy rằng : khi khơng có từ trường, độ rộng vùng cấm là 0.091 eV, khi có từ trường tác dụng (H = 0.4T) độ rộng vùng cấm của mẫu giảm xuống còn 0.084 eV đối với mẫu pha tạp 20% Co. Do đó xác suất để chuyển điện tử từ một trạng thái năng lượng ở vùng hoá trị lên một trạng thái năng lượng nằm trong vùng dẫn tăng lên. Kết quả trong hợp chất có nhiều điện tử dẫn hơn làm cho điện
trở của mẫu giảm khi có tác dụng của từ trường. Khi tăng nồng độ Co từ 20% lên 30% cũng làm độ rộng vùng cấm tăng, nghĩa là xác suất để chuyển điện tử từ một trạng thái năng lượng ở vùng hoá trị lên một trạng thái năng lượng nằm trong vùng dẫn giảm đi dẫn đến điện trở tăng lên.