几种钙钛矿型锰氧化物薄膜的制备及其磁电性能的研究

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作为关联电子体系的典型代表,钙钛矿型锰氧氧化物薄膜由于其自旋、电荷、轨道和晶格之间的强相互作用,拥有众多新颖的磁效应、金属绝缘体转变、磁电阻效应等功能特性且易于调控,使其在高密度存储器、磁传感器、新型自旋电子学器件等领域展现出巨大的理论和应用价值。本文以La0.67Sr0.33Mn O3(LSMO)和La Mn O3(LMO)为研究对象,利用磁控溅射技术,分别在石英玻璃和(001)SrTiO3单晶衬底上制备了几种LSMO和LMO多晶和外延薄膜,探讨了制备工艺对薄膜微结构的影响,以期获得薄膜生长的最佳工艺参数。在此基础上,本文详细研究了O2/Ar流量比与LSMO和LMO多晶薄膜的晶体结构、表面形貌、表面化学状态之间的内在关联,阐明了氧含量、非化学计量比、Mn3+/Mn4+价态比等微结构特征对薄膜宏观磁性的影响机理。同时,我们初步探索了不同应变下LSMO外延薄膜的磁性和输运性能。本文为钙钛矿型锰氧化物薄膜的设计和应用,奠定了一定的研究基础,主要工作如下:(1)采用磁控溅射技术在石英玻璃上制备了LSMO多晶薄膜,研究了溅射气压、溅射功率和后退火温度对薄膜沉积质量的影响,获得了制备LSMO多晶薄膜的最佳工艺条件。所制备的LSMO薄膜为典型的三方晶系钙钛矿结构,结晶质量高、晶粒形状较规则、表面致密度高和均匀性好。研究发现,随着O2/Ar流量比的变化,薄膜晶格中Mn3+/Mn4+价态比、氧含量也随之变化,这将直接影响体系中的铁磁相互作用和铁磁/反铁磁相互竞争状态,最终导致了薄膜在宏观磁性上的差异。此外,薄膜的表面形貌对磁性也有一定影响。(2)采用磁控溅射技术在石英玻璃上制备了LMO多晶薄膜,分析了O2/Ar流量比对薄膜沉积质量和微结构特征的影响。研究发现,O2/Ar流量比的变化可显著改变薄膜中的Mn3+/Mn4+价态比,从而实现对薄膜磁结构和磁性能的有效调控。随着O2/Ar流量比的变化,薄膜的磁结构经历了以反铁磁有序为主、铁磁与反铁磁共存到以铁磁有序为主的演变,内部的铁磁/反铁磁共存和相互竞争状态也随之发生变化,最终导致了薄膜的宏观磁特征,如团簇玻璃态、交换偏置现象、居里温度、冻结温度、不可逆温度、饱和磁化强度和矫顽场强等,也发生了相应的变化。(3)采用磁控溅射技术在(001)SrTiO3衬底上制备了不同厚度的LSMO外延薄膜,研究了后退火温度和溅射气压对薄膜结晶质量、晶体取向和表面形貌的影响,获得了LSMO外延薄膜最佳制备工艺。所制备的LSMO薄膜在(001)SrTiO3衬底上沿c轴外延生长且受到衬底张应变作用。薄膜结晶质量高,表面晶粒较规则、孔洞较少、致密性高和均匀性好。研究发现,随着膜厚减少,剩余张应变增大,晶格畸变加剧,铁磁双交换作用被削弱,导致薄膜的居里温度、金属绝缘体转变温度和饱和磁化强度降低;同时,薄膜的电阻值及室温磁电阻值上升。
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