钙钛矿氧化物因其丰富多样的物理性质,例如金属-绝缘体转变,相分离,庞磁阻,自旋轨道耦合等,一直是材料物理领域研究的热门方向。由于对称性破缺和维度效应,以及小型化电子器件的需求,钙钛矿氧化物薄膜越来越受到关注。而锰氧化物薄膜作为磁性钙钛矿氧化物薄膜中研究最广泛的材料之一,其结构和物理性质的研究有助于深入理解钙钛矿氧化物中多种自由度之间的耦合,以及探索更多新奇的物理性质和拓宽其应用价值。与传统的外延锰氧化物薄膜以及异质结和超晶格不同,水溶牺牲层的方法为制备自支撑锰氧化物薄膜提供了先决条件。多功能自支撑薄膜的研究为集成半导体器件的成熟和柔性电子器件的兴起提供了潜在的发展方向。理解自支撑铁磁氧化物薄膜的结构和磁性有利于拓宽自支撑薄膜的研究和应用,推动氧化物薄膜走向器件化。在这样的背景下,本论文首先介绍有关钙钛矿氧化物的结构和磁性特征,以及目前自支撑氧化物薄膜的制备和研究进展。然后描述外延薄膜的制备方法和自支撑薄膜的转移工艺,以及一些材料的表征手段,包括结构、磁性和常规谱学表征。最后开展对自支撑锰氧化物薄膜正交结构和铁磁性的研究,包括磁各向异性、应变耦合磁性和磁近邻效应,具体内容如下:1.光诱导下正交结构和磁性的变化。强烈依赖于样品制备的超快电子衍射的运用为揭开光诱导下钙钛矿锰氧化物的正交结构及其磁性的变化带来了技术的革新。放置在空心铜网上的自支撑锰氧化物薄膜在光激发下表现出不同于热稳态的特征,包括几乎守恒的布拉格强度,被抑制的镧离子和氧离子位移,以及长程晶格正交性的演变。在光激发10 ps后,材料系统进入准平衡状态。在该状态下,使用第一性原理计算预测了增强的铁磁序和绝缘体到金属的转变。这项研究展示了在光调控庞磁阻氧化物的结构和物性方面的新机遇,对超快可切换的量子器件的材料选择和设计提供了新的思路。2.磁各向异性和多向软铁磁性的调控。将一系列不同厚度的自支撑锰氧化物薄膜转移到硅衬底上,与外延薄膜和较厚的自支撑薄膜不同,4 nm的自支撑LaMnO3薄膜存在面内和面外各向同性的软铁磁性。同时,其伴随着高达200 K的铁磁转变温度以及饱和磁化强度的增加。能量损失谱和理论计算揭示了锰价态的分层模型:氢掺杂的表界面富有Mn2+,而薄膜内部则为Mn3+,锰价态的分布不均导致了面内和面外磁性的收敛。在自支撑单晶薄膜中发现各向同性的软铁磁性将有助于开发需要沿多个方向调控或检测的柔性磁性器件,也可以在不受磁各向异性限制下简化器件的制备。3.应变耦合铁磁性的超弹氧化物薄膜。与外部施加弯曲或者拉伸应变不同,自发形成弯曲、折叠甚至多层卷形态的铁磁氧化物薄膜鲜少存在。将一系列不同厚度的自支撑锰氧化物薄膜转移到空心铜网上,仍保持着稳定的单晶性和铁磁性。不同厚度的薄膜自发形成的状态有所差别,其中40 nm厚的折叠薄膜的弯曲应变最大,为4%。同时,饱和磁化强度和剩余磁化强度随弯曲程度而增强。通过拟合耦合系数,证明了磁化强度与弯曲应变是耦合的。自发形成具有较大应变的超弹铁磁氧化物薄膜有利于促进柔性功能材料的应用,为自组装柔性电子器件在磁性方面的拓展提供发展方向。4.新型范德华异质结中的磁近邻效应。多种自由度复杂耦合的过渡金属氧化物与具有谷自旋特征的二维材料组成的新型异质结可以作为一个潜在的平台来研究磁交换相互作用。而自支撑氧化物薄膜为在硅基衬底上研究范德华异质结的磁邻近效应提供了新的可能性。不同圆偏振度的光致发光谱表明了新型范德华异质结的界面存在磁邻近效应,且谷退极化度的温度依赖性类似于自支撑锰氧化物薄膜的磁转变。过渡金属类硫族化合物和过渡金属氧化物形成的新型范德华异质结证明了磁性薄膜可以通过剩磁提供磁场交换,而不需要任何磁场来磁化。