钙钛矿氧化物薄膜多铁性和金属性共存及自支撑性质研究

来源 :中国科学院大学(中国科学院物理研究所) | 被引量 : 0次 | 上传用户:guangzhilin123546
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由于自由电子对铁电极化的屏蔽效应,同一材料里铁电性和金属性一般难以共存,同时具有铁磁性、铁电性和金属性的材料更鲜有报导,而这样的多铁金属性材料因其丰富的电荷、晶格、轨道和自旋自由度之间的耦合在信息存储和多场调控器件中具有重大应用前景。另一方面,摆脱衬底应力的自支撑钙钛矿氧化物薄膜因其超弹和机械可调等特性在转角电子学、柔性和可穿戴器件方面有着巨大的应用潜力,研究其性质和机理有着重要的现实意义。本论文分为两部分:一是通过控制生长氧压获得多铁金属性材料Pb Nb0.12Ti0.88O3-δ,二是制备La Mn O3自支撑薄膜并研究其性质,主要内容和结论如下:(1)分别使用6和4 Pa氧压在Nb:SrTiO3衬底上制备了Pb Nb0.12Ti0.88O3-δ薄膜。室温的磁滞回线和电滞回线表明Pb Nb0.12Ti0.88O3-δ具有室温多铁性,电输运测量进一步表明其具有金属性,扫描透射电镜结果揭示样品的铁电性来自于其氧离子偏离自身平衡位置,第一性原理计算表明Pb Nb0.125Ti0.875O3-δ是一种半金属,其铁磁性和金属性均来自于Ti和Nb离子dxy轨道电子的贡献。(2)在SrTiO3衬底上先后共格生长了锶铝氧水溶层和铁磁性La Mn O3薄膜。将上述样品浸没在去离子水中,水溶层溶解后上面的La Mn O3薄膜便被释放到水面上形成了La Mn O3自支撑薄膜,最后我们将La Mn O3自支撑薄膜弯曲到了曲率分别为0、0.5和1 mm-1的石英棒上。测量发现,La Mn O3在释放后饱和磁矩有56%的增强,在弯曲以后其饱和磁矩又进一步最高有36%的增强。在上述释放和弯曲过程中,La Mn O3的居里温度也提高了13 K。扫描透射电镜结果揭示在上述过程中La Mn O3磁性的增强来源于其微观结构的变化。La Mn O3里三维交替地分布着两种不等价的Mn O6八面体(记作OC1和OC2,分别包含Mn1和Mn2离子),其中OC1(OC2)是面外方向拉伸(压缩)的。La Mn O3被释放前,OC1(OC2)被拉伸(压缩)的幅度很小,释放后这种拉伸和压缩幅度都显著变大,La Mn O3被弯曲后上述趋势进一步增强。以上变化导致相邻Mn1-Mn2离子间距缩短以及Mn1半满的d223z-r轨道、中间O的pz轨道以及Mn2空的d223z-r轨道之间的交叠增加,根据Goodenough-Kanamori法则,增强的超交换作用使得La Mn O3的铁磁性增强。
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