第5期 黄秀峰等：ZnFe3-O4粉末的高温固相法制备及其磁学性质和输运性质 .535 Fe2+后，离子分布变为(Zn2+)A(Fe3+Fe3+)B04,B- MR=X100% O一B交换作用上升至支配地位，B位上的Fe3+与 p Fe3+之间形成反铁磁相互作用，此时两个Fe3+磁矩 当外磁场增加时，负MR值迅速增加，样品NO2、 相反，磁性次晶格B内的磁矩急剧下降，从而导致 N04、N06的数值分别为9.81%、9.88%和 饱和磁化强度急剧下降，样品呈现反铁磁的特性· 12.73%.可见，Zm2+掺杂浓度较高的样品的磁致电 阻较大，这说明适当的Zn2+掺杂将提高Fe304在室 温下的磁致电阻，值得注意的是，F3O4的磁致电阻 主要由八面体中心B位上的Fe2+决定，而Zn2+进 002 入Fe3O4晶格时优先占据的是四面体中心的A位 ○Fe,Fe 置，因此Zn2+掺杂对于Fe304的磁致电阻的影响还 x0.2 x=0.6 图4Fe3O:的晶格结构 0890°032950.4 Zn,Fe;O Fig.4 Lattice structure of FesO ZnaFe:O 300: ·0T,d) 2.3输运性质 是2000； RU-3D) 1000 物质在低温下的电输运行为能反映出系统的低 501015020020300 能激发态特征以及电子的散射机制，为了研究 Zn2+掺杂对Fes04电子传输性能的影响，利用四探 0.050.060.070.080.090.100.110.12 T-1n/K-In 针法对掺杂样品进行电阻一温度测量，空气中烧结 的A系列样品由于过氧化，室温电阻非常大，本文 图5N2中烧结的Zn,Fe3-,0样品的mR一T-1/2曲线.插图为 仅研究了N2中烧结的样品NO2、N04和NO6的电 样品N04电阻温度曲线.R(H=0,d),R(H=3T),R(H= 0.1T),R(H=0,u)分别代表零场降温、磁场(3T)升温，磁场 阻随温度的变化关系，测量时先将样品零场降温至 (0.1T)降温及零场升温曲线（磁场平行于样品表面） 80K,再在3T的平行于样品表面的外磁场下升温 Fig-5 Logarithmic resistance as a function of Tbetween 70 and 至室温，然后将3T磁场改为0.1T同时降温至 300K for the films after annealing in N2.The inset is the R-T 80K,最后零场升温至室温，分别测量各个过程的电 curve for the sample N04.Symbols R(H=0.d).R(H=3T).R 阻温度曲线，测量结果显示，各个过程中样品的电 (H=0.1T).R(H=0.u)denoted zero-field-cooling curve.3 T- 阻随温度的升高呈指数降低的变化规律，图5左上 field heating curve,0.1 T-field cooling curve,and zero-field heating 插图中给出样品NO4的电阻温度曲线，对实验结 curve respectively (the magnetic field is parallel to the surface of sam- 果进行拟合发现，各样品的nR一T一/曲线是完全 ples) 线性的（见图5），表明Fe304Zn的电传输机制主要 0 是通过电子的变程跳跃(VRH)实现的山，该过程 由Efros和Shklovskii描述为主要是由于电子之间 4 的强相互作用产生了库仑能隙，而不同于Mot所描 6 述的VRH,也不是通常的热激发传导机制，Fe3O4 -8 的电学传输机制在于，其晶格中含有在八面体中心 x=0.4 -I0 (B位)上分布的Fe3+和Fe+,电子可以在此二者之 -12 x0.6 为》 间来回跳跃，电子从某一个原子跃迁到另一个相邻 原子位置上的过程，就是阳离子的变价过程，在低 -2 0 B/T 浓度掺杂Zn2+之后，这种电传输性依然存在 图6是N2中烧结的Zn.Fe3-x04样品N02、 图6N2中烧结的ZFe3-,0,样品的磁致电阻随外磁场的变化 N04和N06在5T的最大外磁场下的磁致电阻曲 (80K) 线，测试温度为80K,若以R。表示峰值电阻，则磁 Fig.6 Magnetoresistance of Zn,Fe3-,0 samples annealed in N2 in a field of 5T at 80K 致电阻(MR)可表示为：Fe 2＋后‚离子分布变为（Zn 2＋）A（Fe 3＋Fe 3＋）BO4‚B－ O－B 交换作用上升至支配地位‚B 位上的 Fe 3＋与 Fe 3＋之间形成反铁磁相互作用‚此时两个 Fe 3＋磁矩 相反‚磁性次晶格 B 内的磁矩急剧下降‚从而导致 饱和磁化强度急剧下降‚样品呈现反铁磁的特性． 图4 Fe3O4 的晶格结构 Fig．4 Lattice structure of Fe3O4 2∙3 输运性质 物质在低温下的电输运行为能反映出系统的低 能激发态特征以及电子的散射机制．为了研究 Zn 2＋掺杂对 Fe3O4 电子传输性能的影响‚利用四探 针法对掺杂样品进行电阻－温度测量．空气中烧结 的 A 系列样品由于过氧化‚室温电阻非常大‚本文 仅研究了 N2 中烧结的样品 N02、N04和 N06的电 阻随温度的变化关系．测量时先将样品零场降温至 80K‚再在3T 的平行于样品表面的外磁场下升温 至室温‚然后将3T 磁场改为0∙1T 同时降温至 80K‚最后零场升温至室温‚分别测量各个过程的电 阻温度曲线．测量结果显示‚各个过程中样品的电 阻随温度的升高呈指数降低的变化规律‚图5左上 插图中给出样品 N04的电阻－温度曲线．对实验结 果进行拟合发现‚各样品的 ln R－ T －1／2曲线是完全 线性的（见图5）‚表明 Fe3O4∶Zn 的电传输机制主要 是通过电子的变程跳跃（VRH）实现的［11］．该过程 由 Efros 和 Shklovskii 描述为主要是由于电子之间 的强相互作用产生了库仑能隙‚而不同于 Mott 所描 述的 VRH‚也不是通常的热激发传导机制．Fe3O4 的电学传输机制在于‚其晶格中含有在八面体中心 （B 位）上分布的 Fe 3＋和 Fe 2＋‚电子可以在此二者之 间来回跳跃．电子从某一个原子跃迁到另一个相邻 原子位置上的过程‚就是阳离子的变价过程．在低 浓度掺杂 Zn 2＋之后‚这种电传输性依然存在． 图6是 N2 中烧结的 ZnxFe3－ x O4 样品 N02、 N04和 N06在5T 的最大外磁场下的磁致电阻曲 线‚测试温度为80K．若以 Rp 表示峰值电阻‚则磁 致电阻（MR）可表示为： MR＝ R－ Rp Rp ×100％． 当外磁场增加时‚负 MR 值迅速增加‚样品 N02、 N04、N06 的 数 值 分 别 为 9∙81％、9∙88％ 和 12∙73％．可见‚Zn 2＋掺杂浓度较高的样品的磁致电 阻较大‚这说明适当的 Zn 2＋掺杂将提高 Fe3O4 在室 温下的磁致电阻．值得注意的是‚Fe3O4 的磁致电阻 主要由八面体中心 B 位上的 Fe 2＋ 决定‚而 Zn 2＋ 进 入 Fe3O4 晶格时优先占据的是四面体中心的 A 位 置‚因此 Zn 2＋掺杂对于 Fe3O4 的磁致电阻的影响还 图5 N2 中烧结的 Zn xFe3－ xO4 样品的 ln R－ T －1／2曲线．插图为 样品 N04电阻温度曲线．R（ H＝0‚d）‚R（ H＝3T ）‚R（ H＝ 0∙1T）‚R（ H＝0‚u）分别代表零场降温、磁场（3T ）升温、磁场 （0∙1T）降温及零场升温曲线（磁场平行于样品表面） Fig．5 Logarithmic resistance as a function of T －1／2between70and 300K for the films after annealing in N2．The inset is the R － T curve for the sample N04．Symbols R（ H＝0‚d）‚R（ H＝3T）‚R （ H＝0∙1T）‚R（ H＝0‚u） denoted zero-field-cooling curve‚3T￾field heating curve‚0∙1T-field cooling curve‚and zero-field heating curve respectively （the magnetic field is parallel to the surface of sam￾ples） 图6 N2 中烧结的 Zn xFe3－ xO4 样品的磁致电阻随外磁场的变化 （80K） Fig．6 Magnetoresistance of Zn xFe3－ xO4samples annealed in N2in a field of 5T at 80K 第5期 黄秀峰等： ZnxFe3－xO4 粉末的高温固相法制备及其磁学性质和输运性质 ·535·