（La-,1-x-Ca-,x-）MnO-,3-外延膜的應(yīng)力與厚度效應(yīng)研究.pdf

1、自從二十世紀九十年代在鈣鈦礦錳氧化物薄膜中發(fā)現(xiàn)巨磁電阻效應(yīng)以來，由于它們表現(xiàn)出來的低場磁阻效應(yīng)以及高自旋極化率等特點，在高密度存儲器件、磁隨機存儲和傳感器以及自旋極化的全氧化物器件等方面具有廣闊的應(yīng)用前景，因此受到人們廣泛的關(guān)注。同時，由于在鈣鈦礦錳氧化物中通常存在多種序(晶格、自旋、軌道等)之間激烈的競爭和共存，使其表現(xiàn)出來電荷有序、軌道有序以及相分離等非常豐富的物理內(nèi)容，這些復(fù)雜的現(xiàn)象大大激發(fā)了物理研究人員的研究興趣，已成為凝聚態(tài)物

2、理的研究熱點之一。因此，對巨磁阻薄膜的研究和探討，不僅對錳氧化物的自旋電子學(xué)基礎(chǔ)物理研究具有重要意義，而且對于相關(guān)器件，特別是對全氧化物或者氧化物.金屬器件的研制具有非常重要的現(xiàn)實意義。 在本論文中，我們通過對鈣鈦礦錳氧化物外延膜的制備條件、應(yīng)力以及厚度效應(yīng)的研究，探索了錳氧化物外延膜的應(yīng)力厚度效應(yīng)對其結(jié)構(gòu)、磁性和輸運性質(zhì)的影響，特別對晶格失配、角度畸變和角度失配和錳氧化物外延膜物理性能之間的關(guān)系做了深入的分析和討論。部分研究成

3、果已在國際科技期刊上發(fā)表。 本論文總共分六章。 第一章主要介紹了鈣鈦礦錳氧化物典型的物理性質(zhì)和外延膜的應(yīng)力厚度效應(yīng)的研究進展。首先簡要回顧了錳氧化物集中典型的性質(zhì)，如晶體結(jié)構(gòu)，晶場劈裂，有序相，相分離現(xiàn)象等。然后討論了錳氧化物薄膜的應(yīng)力厚度效應(yīng)，包括面內(nèi)晶格失配導(dǎo)致的晶格應(yīng)變對晶體結(jié)構(gòu)、輸運行為、磁性能等的影響，厚度效應(yīng)對晶胞參數(shù)、物理性質(zhì)的影響。最后簡要介紹了幾種常見的應(yīng)力厚度效應(yīng)模型。 第二章主要介紹了本文實

4、驗需要用到的薄膜制備方法和樣品測試方法。主要介紹了脈沖激光沉積鍍膜的原理和方法，并對X射線衍射倒易空間圖技術(shù)做了詳細的介紹。 第三章主要討論原位制備氧壓與巨磁阻錳氧化物L(fēng)a1-xCaxMnO3(LCMO)外延膜的微結(jié)構(gòu)及電磁性能之間的關(guān)系。實驗證明超薄薄膜的結(jié)構(gòu)和電阻/磁轉(zhuǎn)變主要依賴于原位沉積氧壓；而對于較厚的薄膜，其結(jié)構(gòu)和電磁性質(zhì)既受原位氧壓控制也受后處理過程影響。并且發(fā)現(xiàn)，當薄膜制備氧壓低于一定值(～25Pa)時，其對LCM

5、O薄膜結(jié)構(gòu)和性能的影響很大，經(jīng)過后退火處理，即使較厚的薄膜其結(jié)構(gòu)和性能也很難達到塊材的水平。而制備氧壓高于該值時，經(jīng)過后退火處理，較厚的薄膜結(jié)構(gòu)和性能可以達到塊材的水平。因此，為了制備高質(zhì)量的巨磁阻外延膜，必須采用較高的制備氧壓。 第四章研究了晶格失配應(yīng)變對La0.7Ca0.3MnO3外延膜的結(jié)構(gòu)和電磁性質(zhì)的影響。實驗證明薄膜的應(yīng)變狀態(tài)直接影響薄膜的輸運行為。對于無失配的LCMO/LSAT樣品，其性能只與厚度有關(guān)：而對較大晶格失

6、配的樣品LCMO/STO，隨著薄膜厚度的增加，在一定厚度薄膜開始發(fā)生弛豫，同時伴隨樣品轉(zhuǎn)變溫度的升高，特別是在一定的厚度范圍內(nèi)，LCMO薄膜的部分弛豫在微結(jié)構(gòu)和磁學(xué)性能上可以清楚地的對應(yīng)。當薄膜完全弛豫后，薄膜的轉(zhuǎn)變溫度和結(jié)構(gòu)則完全恢復(fù)到塊材的情形。因此，制備高質(zhì)量的巨磁阻薄膜，必須考慮晶格失配的大小。 第五章研究正交結(jié)構(gòu)的La0.67Ca0.33MNO3(LCMO)/NdGaO3(NGO)(110)中薄膜生長面外的角度畸變對薄

7、膜的結(jié)構(gòu)和電磁性質(zhì)的影響。由于NGO(LCMO)具有正交對稱性，用贗立方表示晶體結(jié)構(gòu)時，其贗立方夾角為89.265°(89.864°)，這個角處于正交結(jié)構(gòu)的(001)面內(nèi)。LCMO和NGO長度失配很小(＜0.05％)，而角度失配約為0.64％，實驗發(fā)現(xiàn)，當LCMO生長在NGO(110)襯底上時，低于30nm時，薄膜仍受襯底的剪切應(yīng)變作用，它使樣品的Tp迅速降低；高于30nm時，LCMO薄膜開始發(fā)生弛豫，且其處于生長面外的贗立方夾角隨著薄

8、膜厚度在變化，樣品的Tp逐漸接近塊材LCMO?？梢?，雖然長度失配很小，但是較大角度失配對薄膜的結(jié)構(gòu)和性能的影響也很大。 第六章研究了面內(nèi)角度失配對La0.67Ca0.33MNO3(LCMO)外延膜的電磁性能和結(jié)構(gòu)的影響。選用NdGaO3(001)襯底，其與LCMO的角度失配在面內(nèi)。結(jié)果表明，基態(tài)為鐵磁金屬態(tài)的LCMO薄膜生長在NGO(001)襯底上，經(jīng)過氧氣退火后，薄膜出現(xiàn)了類似電荷有序的輸運行為，而且在很寬的溫度范圍內(nèi)都具有非