龐磁阻錳系氧化物
1994 年，美國貝爾實驗室的 Sung–Ho Jin 等人，在LaAlO3單晶基板上成長厚度大約為 1000 A 的La0.67Ca0.33MnOx 薄膜，發現當樣品溫度降至 77 K，且外加磁場接近 6 Tesla 時，其磁阻變化率 (-[ρ( H )- ρ( 0 )]/ρ( H )) 可以達到 127000 % 。由於這些材料受到磁場引發的電阻值巨大改變，所以將之稱為龐磁阻 ( Colossal magnetoresistance ，簡稱 CMR) 效應。自從發現了此類錳氧化物具有龐磁阻效應後，許多學者希望能突破龐磁阻效應只能在低溫及高磁場作用下才會發生的瓶頸，提升其應用的價值。目前所知，如La0.7Sr0.3MnO3的多晶塊材、薄膜等的界面和晶界處，在低磁場下 ( ＜ 1 Tesla) 就會有龐磁阻現象產生。
我們使用光譜實驗技術 ( 包括：遠紅外光、中紅外光、近紅外光、可見光、紫外光區頻率的反射率及透射率 ) ，來探究鑭鍶錳氧化物(La0.7Sr0.3MnO3)單晶薄膜受到與基板間晶格不匹配的影響，其結構、磁性及光譜響應呈現與塊材大相逕庭的行為。首先，我們發現薄膜厚度愈薄，其 c 軸晶格常數愈長，這是歸因於薄膜的 ab 平面受到基板壓縮應變作用。其次，我們觀察到薄膜的居禮溫度隨著厚度減小而降低。從光譜實驗數據分析而言，我們發現La0.7Sr0.3MnO3薄膜之 Mn-O-Mn 鍵角彎曲振動頻率為一定值，但是 Mn-O 鍵長伸縮振動頻率在厚度愈薄的樣品中會有紅位移現象，此結果與 X-ray 繞射數據分析 ( c 軸晶格常數變長 ) 相符。有趣地是，我們觀察到La0.7Sr0.3MnO3薄膜在中紅外光區的吸收峰之機制與小極化子的光譜響應有關，隨著薄膜厚度的減少，小極化子的束縛能量有增強的趨勢。最後，在紫外光區的 Mn 3 d 及 O 2 p 軌域上電荷躍遷吸收峰值也隨著薄膜厚度增加而有紅位移現象。此部份研究已於 2005 年發表刊載於 Journal of Applied Physics 期刊。
我們也探究成長於相同基板上(SrTiO3)且相同厚度的鑭系錳氧化物單晶薄膜，隨著不同的金屬摻雜 (Sr 、 Ca 、 Ce) ，其電子結構及磁光光譜的變化。首先，我們發現 300 nm 厚之鑭鍶錳氧化物(La0.7Sr0.3MnO3)單晶薄膜的居里溫度約為 350 K ，鑭鈣錳氧化物(La0.7Ca0.3MnO3)及鑭鈰錳氧化物(La0.7Ce0.3MnO3) 的居里溫度約為 275 K 。其次，低溫光譜 (20 K) 顯示居德電漿頻率 ( Drude plasma frequency ωpD) ：La0.7Sr0.3MnO3 (~ 5600 cm-1) > La0.7Ca0.3MnO3 (~ 4800 cm-1) > La0.7Ce0.3MnO3 (~ 2500 cm-1)， 及居德散射率 ( Drude scattering rate 1/ t D ) ︰ La 0.7 Sr 0.3 MnO 3 (~ 120 cm -1 ) < La 0.7 Ca 0.3 MnO 3 (~ 270 cm -1 ) < La0.7Ce0.3MnO3 (~ 870 cm -1 ) 。 這些結果暗示以離子半徑較小的鈣金屬及四價的鈰金屬來取代 鍶金屬，會造成鑭系錳氧化物在費米能階附近的電子結構產生巨大變化。有趣地是，我們觀察到 La 0.7 Sr 0.3 MnO 3 薄膜在 3.4 eV 的能譜具有 0.32 度的柯爾旋轉角、 0.24 度的柯爾橢圓率，顯示其 在高密度磁光記錄硬碟和光碟儲存具應用潛力。 此部份研究已於 2005 年發表刊載於 Physical Review B 期刊，另一部份研究已於 2006 年發表刊載於 Journal of Applied Physics 期刊。
我們 研究不同濃度的鈣摻雜之鑭鍶錳氧化物(La1.2(Sr1.8-xCax)Mn2O)多晶塊材的紅外光與雷射拉曼散射光譜。La1.2(Sr1.8-xCax)Mn2O7 在摻雜鈣金屬 (0 < x < 0.6) 時，其物性從高溫 ( > 300 K ) 的順磁絕緣相轉變為低溫的鐵磁金屬相。同時，在接近相變溫度 ( T C ) 時，外加磁場會造成材料的電阻顯著地下降，有所謂龐磁阻現象。而當摻雜鈣金屬超過 ( x > 0.6 ) 時，這些磁性錳氧化物的基態又轉變為反鐵磁絕緣相。最有趣的現象是在La1.2(Sr1.2Ca0.6)Mn2O7樣品中顯現鐵磁金屬相與反鐵磁絕緣相共存。 我們觀察到La1.2(Sr1.8-xCax)Mn2O7遠紅外光區聲子吸收光譜，隨著摻雜鈣金屬的濃度增加，其結構中錳氧八面體的氧原子振動亦有明顯的變化：吸收峰波數 340, 500, 593 cm-1 之 Mn-O 彎曲與伸展振動模有 藍 位移現象。意味著摻雜鈣金屬導致錳氧八面體結構的局部扭曲變形。此外，摻雜鈣金屬之後，紅外光區的電傳導係數明顯降低，我們對 6400 cm-1 以下的電傳導係數作總和定理 (sum rules) 積分，發現參與光譜響應的有效電荷載子密度 (effective carrier number) ， 與樣品之居禮溫度有緊密的關連性。有趣地是，拉曼散射光譜 顯示了位於 564 cm-1 的拉曼活性 Mn-O 伸展振動模在磁性相變溫度以下有聲子硬化的現象。這個氧原子振動的光譜特性和晶格常數隨著溫度變化的趨勢並不符合，卻與磁化率的溫度效應相近，所以這裡的實驗結果暗示著La1.2(Sr1.8-xCax)Mn2O7 樣品中存在著強烈的電子自旋－晶格交互作用。此部份研究已於 2003 年發表刊載於 Journal of Applied Physics 期刊，另一部份研究已於 2006 年發表刊載於 Journal of Applied Physics 期刊。