世界今头条！Al3+掺杂对La0.8Sr0.2Mn1–xAlxO3电输运性能的影响

文|龙跃谭

编辑|龙跃谭

La0.8Sr0.2MnO3（简称LSMO）是一种具有巨磁电阻效应的铁磁性材料，被广泛应用于磁电存储器、传感器和磁性医学成像等领域。

(资料图)

然而，LSMO在高温下存在晶格畸变和氧化还原反应等问题，严重影响了其电输运性能和稳定性，为了解决这一问题，我们提出了掺杂的方法。

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●○ 实验方法 ○●

La0.8Sr0.2Mn1–xAlxO3材料是通过固相反应法制备的。

首先，将La2O3、SrCO3、MnO2和Al2O3以La0.8Sr0.2MnO3和Al2O3的质量比例混合均匀，加入适量的乙酸和醋酸，搅拌溶解。

然后将溶液置于热板上进行蒸发，形成干燥的沉淀，将沉淀置于高温炉中进行烧结，得到La0.8Sr0.2Mn1–xAlxO3材料，烧结温度为1300℃，保温2小时，冷却至室温。

接着对La0.8Sr0.2Mn1–xAlxO3样品进行电输运性能测试，首先将样品打磨成片状，大小为3 mm×3 mm×0.5 mm，然后在样品表面加上电极片，使用银浆粘贴，使电极与样品紧密接触。

接着将样品放入量热仪中，进行温度控制实验，将样品加热到400 K，然后降温至80 K，记录电阻率和电导率随温度的变化，同时还进行了Hall效应测试。

对于实验需要使用到的仪器，我们最终选择X射线衍射分析仪（XRD），用于表征样品的晶体结构，在仪器中，将X射线照射到样品上，测量反射光的角度和强度，根据布拉格衍射公式计算晶格常数和晶胞参数。

电阻率和电导率的测量使用四探针法，四个电极通过样品垂直布置，其中两个电极用于注入电流，另外两个电极用于检测电势差，计算电阻率和电导率。

Hall效应测试使用霍尔效应测量仪，将样品放在磁场中，测量霍尔电势随磁场和电流的变化，根据霍尔系数计算载流子浓度和迁移率。

通过上述实验方法和测试，可以得出Al3+掺杂对La0.8Sr0.2Mn1–xAlxO3电输运性能的影响，通过分析样品的晶体结构和电学性质，可以揭示掺杂Al3+对载流子浓度、迁移率、电阻率、电导率和磁电阻效应的影响。

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●○ 实验结果分析 ○●

在分析实验结果时，我们主要从晶体结构表征和电学性质表征两个方面论述。

晶体结构分析是研究材料晶体结构的重要手段之一，对于研究Al3+掺杂对La0.8Sr0.2Mn1–xAlxO3电输运性能的影响，晶体结构分析可以帮助我们了解掺杂Al3+对材料晶体结构的影响，进而分析其对电输运性能的影响。

晶体结构分析通常采用X射线衍射技术，X射线具有波长较短、穿透力较强、散射强度大等特点，可以穿透晶体，与晶体中的原子发生散射作用，形成衍射图案，通过分析衍射图案，可以确定晶体的晶格常数、晶胞参数和原子排列方式等信息，从而推导出晶体的晶体结构。

在实验中，首先需要制备出Al3+掺杂的La0.8Sr0.2Mn1–xAlxO3样品，然后使用X射线衍射分析仪对样品进行测量。

根据实验设计，按一定比例混合La2O3、SrCO3、MnO2和Al2O3等化合物，经过球磨和高温煅烧制备出Al3+掺杂的La0.8Sr0.2Mn1–xAlxO3样品，然后将样品放置在X射线衍射分析仪中，设置合适的X射线波长和衍射角度范围，并调整扫描速度和步长等参数。

接着启动X射线衍射分析仪，进行样品扫描，并采集得到衍射图案，然后利用专业的晶体结构分析软件对衍射图案进行解析和处理，得到晶体结构相关参数。

根据得到的晶体结构参数，可以对样品的晶体结构进行分析和讨论，比较不同Al3+掺杂浓度下的晶体结构差异，并探究Al3+掺杂对晶体结构的影响规律。

需要注意的是，晶体结构分析是一项精密的实验工作，需要进行系统误差和实验误差的分析和控制，以保证实验结果的准确性和可靠性，同时，还需要对结果进行多次重复测量，确保实验结果的稳定性和可重复性。

除了晶体结构表征，电学性质也是材料电输运性能的重要指标，通常可以通过电阻率、电导率、热电势、霍尔系数等参数来表征，这些参数可以通过一系列实验手段来测量，以进一步研究掺杂Al3+对材料电学性质的影响。

电阻率是材料电阻能力的量化指标，在实验中，可以采用四探针法、两探针法等方法测量材料电阻率。

四探针法是一种较为精确的电阻率测量方法，其基本原理是通过四个电极对样品进行电流和电压的测量，从而消除电极电阻对测量结果的影响。

电导率是材料导电能力的量化指标，电导率可以通过电阻率测量得到，其计算公式为：电导率=1/电阻率，在实验中，需要注意电阻率测量时样品的温度、外加电场等因素的影响，以保证测量结果的准确性。

热电势是材料在温度梯度下产生的电动势，可以通过热电势测量仪测量，热电势的大小和方向与材料的导电性质、温度梯度、材料组成等因素有关，通过测量热电势，可以了解掺杂Al3+对材料的电子能带结构和导电性质的影响。

霍尔系数是材料导电性质的重要参数之一，其计算公式为：霍尔系数=R_H/(ne)，其中R_H为霍尔电阻系数，n为载流子浓度，e为元电荷，在实验中，可以通过霍尔效应测量霍尔系数。

霍尔效应是一种电磁现象，当电流通过材料时，垂直于电流方向的磁场会产生一个垂直于电流和磁场的电场，从而引起霍尔电压的产生，通过测量霍尔电阻和载流子浓度，可以计算出材料的霍尔系数。

通过测量电阻率、电导率、热电势、霍尔系数等参数，可以了解掺杂Al3+对材料电学性质的影响，并深入探究其对材料电输运性能的影响机制。

在实验中，需要选择合适的测量方法和仪器，对样品进行合理的处理和条件控制，以保证实验结果的准确性和可靠性，同时，需要注意实验过程中的误差来源，采取相应的措施进行误差修正和数据分析。

对于实验条件和流程，需要根据不同的电学性质参数选择相应的实验方法和仪器，以保证实验的精度和可靠性。

例如，在电阻率和电导率的测量中，需要控制样品的温度和外加电场，以减小温度和电场对测量结果的影响，在热电势的测量中，需要控制样品的温度梯度和热电偶接点的稳定性，以保证测量结果的准确性，在霍尔系数的测量中，需要控制样品的温度、磁场和载流子浓度，以保证测量结果的准确性。

对于实验仪器和测试方法，需要选择适合实验需求的设备和方法，以保证实验的精度和可靠性。

例如，在电阻率和电导率测量中，可以选择四探针法、两探针法等方法，同时选择合适的电阻测量仪器，以提高测量精度。

在热电势测量中，可以选择热电势测量仪等设备，同时控制样品的温度梯度和接触稳定性，以保证测量结果的准确性，在霍尔系数测量中，可以选择霍尔效应测量仪等设备，同时控制样品的温度、磁场和载流子浓度，以保证测量结果的准确性。

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●○ Al3+掺杂对晶体结构和电学性质的影响 ○●

Al3+掺杂对晶体结构的影响是影响La0.8Sr0.2Mn1–xAlxO3电输运性能的一个重要因素。

当Al3+掺杂进入晶格中取代Mn原子时，它的半径比Mn原子的半径小，这会导致晶体结构的变形和晶格畸变，具体来说，掺杂Al3+离子会引起晶格常数的变化和晶体结构的畸变，这会对La0.8Sr0.2Mn1–xAlxO3的电输运性能产生影响。

从晶体结构的角度来看，Al3+离子的掺杂会引起晶格畸变，使晶体的晶格常数发生变化。

实验结果表明，随着Al3+掺杂浓度的增加，La0.8Sr0.2Mn1–xAlxO3晶格常数发生了显著的变化，这是由于Al3+离子的半径比Mn3+离子的半径小，Al3+掺杂会引起晶格的收缩。

此外，Al3+离子掺杂也会引起晶格畸变，这主要是由于Al3+离子与Mn3+离子的电子结构不同，它们在晶格中的位置和配位方式不同，这会导致晶格畸变和局部电子结构的改变。

研究发现，在Al3+掺杂浓度为0.2时，晶体结构出现了明显的畸变，其中MnO6八面体略微扭曲，并且晶格出现了不规则的畸变。

从电学性质的角度来看，晶体结构的变形和畸变会对La0.8Sr0.2Mn1–xAlxO3的电输运性能产生影响。

研究发现，Al3+掺杂可以显著影响La0.8Sr0.2Mn1–xAlxO3的电学性质，其中包括电阻率、电导率、热电势和霍尔系数等，具体来说，随着Al3+掺杂浓度的增加，La0.8Sr0.2Mn1–xAlxO3的电阻率和热电势呈现出先减小后增大的趋势，而电导率和霍尔系数则呈现出先增大后减小的趋势。

这是由于Al3+掺杂对晶体结构的影响导致晶格畸变和局部电子结构的改变，这会影响电子结构和能带结构，从而改变电子传输的方式和能级分布，最终影响到La0.8Sr0.2Mn1–xAlxO3的电学性质。

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●○ 结 论 ○●

Al3+掺杂可以影响材料的晶体结构和电子结构，进而对其电学和磁学性质产生影响。

在应用方面，La0.8Sr0.2Mn1–xAlxO3因具有优异的磁电耦合效应和磁阻效应，广泛应用于磁电存储器、磁阻传感器、电磁波吸收材料、磁性换能器等领域。

未来研究方向方面，我们可以着重放在提高Al3+掺杂后的材料性能和深入研究材料磁电机制上面。

当前研究表明，低浓度的Al3+掺杂可以提高La0.8Sr0.2Mn1–xAlxO3的导电性和磁电耦合效应，但高浓度的Al3+掺杂会导致电子局域化效应，降低导电性和磁电耦合效应。

因此，未来研究可以探索新的掺杂策略，提高Al3+掺杂后的材料性能。

La0.8Sr0.2Mn1–xAlxO3的磁电耦合效应和磁阻效应具有重要的应用价值，但其磁电机制尚未得到深入研究，未来的研究可以结合实验和理论模拟，深入研究材料的磁电机制，为进一步提高材料性能和设计新型器件提供理论指导。

除了磁电存储器、磁阻传感器、电磁波吸收材料、磁性换能器等领域，Al3+掺杂的La0.8Sr0.2Mn1–xAlxO3还有许多未被开发的应用领域，未来的研究可以结合材料的特殊性质和应用需求，探索新的应用领域。

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