文档介绍：中国科学技术大学
博士学位论文
姓名:李兵
申请学位级别:博士
专业:凝聚态物理
指导教师:朱弘
2010-09-03
摘要
摘要
自从掺杂锰氧化物 R1-xAxMnO3(此处 R 为三价稀土离子如 Pr,La,Sm;A
为二价离子,如 Ca,Sr,Ba)巨磁阻(CMR)效应发现以来,该类化合物就引
起了人们广泛的研究。这不仅因为他们具有巨大的潜在应用价值,更是因为其内
部存在的电荷、自旋、晶格以及轨道等多自由度之间的相互作用使其在理论和实
验研究上有着很强的吸引力。CMR 薄膜由于其在实际应用上的优势显得特别有
趣。除了在块材中有着主导作用的 A 位子半径以及掺杂浓度 x 等制约参数以外,
衬底和薄膜之间的双轴应变在控制薄膜性质方面扮演了重要的角色,例如居里温
度,磁晶各向异性,输运性质等。CMR 薄膜在应变下往往表现出区别于块材的
性质。多数情况下,张应力会抑制铁磁性降低铁磁居里温度 TC,这可以从应力
引起的 MnO6 八面体的变化加以考虑。随着研究的深入,人们发现了一些例外的
情形,表现为张应力对铁磁性的加强。
尽管低掺杂的 La1-xBaxMnO3 材料相比其他 CMR 体系具有较大的室温磁阻率
和较高的居里温度 TC,但是人们对其研究却很少,特别是 LBMO 薄膜。KanKi
等在研究 薄膜时发现,张应力会使得薄膜的 TC 升高,磁
阻效应增强。这一结果与其它 CMR 体系不同,表现出反常的应变效应。因此,
我们以 为研究对象,采用失配度较大的 LaAlO3 衬底来研究其外
延膜的性质,作为对比我们还选择了失配度较小的 SrTiO3 衬底。本论文对 LBMO
薄膜的应变效应进行了研究,并对这种强应变的 LBMO/LAO 薄膜的退火机制进
行详细的探讨。此外,我们在较薄的 LBMO/LAO 薄膜中观察到了明显的相分离,
对产生相分离的原因进行了分析,并运用微加工技术进行了验证。
本论文共有五章,内容如下:
第一章,首先对 CMR 锰氧化物的研究现状做了简要介绍,然后对其晶体结
构、J-T 畸变、磁电子结构、相图以及渗流输运等基本性质给出了扼要的分析,
最后对锰氧化物薄膜的相关性质做了较为详细的讨论,指出应变和氧含量对薄膜
性质和结构有着重要的影响,并总结了在锰氧化物薄膜中经常用到的几个理论模
型。
第二章,首先介绍了薄膜的制备和表征方法。然后对利用 DC 磁控溅射方法
I
摘要
制备的 LBMO 薄膜进行了相关表征。最后,重点研究了 LBMO 的应变效应,发
现对于高温氧气氛退火的 LBMO/LAO 薄膜,随着膜厚的降低,薄膜的金属绝缘
体转变温度 TP 和居里温度 TC 均单调下降,压缩应变使得系统的铁磁性和金属性
受到压制,这从与 LBMO/STO 薄膜的对比中更容易看出,利用双轨道模型对此
做出解释。
第三章,首先,对薄膜的退火机制做了详细的探讨,我们发现退火主要造成
ab 面内的氧原子向 c 轴方向转移,外界氧扩散仅有次要作用,高温氩气氛退火
的数据证实,面内压缩应变越大,氧原子在面内聚集越多,薄膜整体氧含量越高。
其次,研究了 LBMO 薄膜氧分布在退火下的进展状况。结果表明,在中等温度
下 ab 面内的氧原子向 c 轴方向转移过程较为缓慢,此过程可以通过退火时间控
制。最后,在中等退火的较薄的 LBMO/LAO 薄膜中观察到了相分离现象,并指
出相分离的出现是压缩应力和氧空位(或分布)两者协同作用的结果。
第四章,首先研究了薄膜的磁阻效应,发现高温氩气退火和中等氧气氛退火
的 LBMO/LAO 薄膜具有较大的低温磁阻率,且这一磁阻在较大的外场下仍不饱
和,在一定程度上印证了相分离的存在。然后通过电阻率数据的拟合,我们发现,
薄膜的低温输运由电子-电子散射和电子-磁波子散射主导,而高温输运机制则由
小极化子的变程跳跃主导,说明薄膜内部小极化子的普遍存在。
第五章,首先对薄膜的微加工技术进行了简要介绍。然后在 LBMO/LAO 薄
膜上制作了不同宽度的条带结构,高温退火薄膜当条带宽度在亚微米尺寸时,其
电阻曲线在低温段出现明显的上翘,说明薄膜内部存在着相分离区域,且尺寸在
微米量级附近。对于中等退火的薄膜,条带宽度在微米量级以下表现为绝缘体行
为,表明此种情形下,相分离区域尺寸有所增加。
关键词:锰氧化物,磁控溅射,薄膜,应变效应,相分离,尺寸限制
II
Abstract
Abstract
Since