双高掺杂锰氧化物薄膜的特性研究及薄膜生长的数值模拟

论文摘要

本文对钙钛矿锰氧化物薄膜材料的制备、结构以及磁、光响应特性等进行了实验和数值模拟研究，具体研究内容以及所得到的结果和结论总结如下：对高双参杂锰氧化物La1／3（Ca2／3Sr1／3）2／3MnO3材料特性方面进行了较为系统的研究：①通过对锰氧化物La1／3（Ca2／3Sr1／3）2／3MnO3靶材的制备和分析得出：样品应为多相。其中主相应是赝立方钙态矿结构，同时样品还存在正交结构等杂相，说明材料的制备是比较成功的；②运用脉冲激光沉积（PLD）法制备了La1／3（Ca2／3Sr1／3）2／3MnO3薄膜；③La1／3（Ca2／3Sr1／3）2／3MnO3薄膜X射线衍射数据表可以看出薄膜样品的确沿着基底（012）晶面择优生长；④从薄膜表面的原子力显微镜测试结果来看，其生长方式上是典型的三维岛状生长模式。薄膜膜面较为平整，且少有较大突起。偶有裂痕，这可能是基底光滑度不高和膜与基底的应力造成。退火后薄膜表面岛的面积增加，没有很高的凸起峰；晶面裂痕也变得不太清晰，薄膜的结构进一步改善；⑤La1／3(Ca2／3Sr1／3)2／3MnO3薄膜在所测量的温度范围内表现出类半导体特性；⑥在弱磁场下，La1／3(Ca2／3Sr1／3)2／3MnO3薄膜具有负阻效应；⑦用连续激光照射La1／3(Ca2／3Sr1／3)2／3MnO3薄膜，发现对同一温度点，电阻值增大了，应该是激光照射后的光子激发和热效应的共同作用。对脉冲激光束辐照下的靶材的热／力学效应、等离子体羽辉的输运过程以及薄膜生长初期的形貌进行了数值分析和模拟研究：①从脉冲束辐照材料动力学的角度对脉冲激光束辐照下的靶材的热／力学效应进行了理论上的探讨，并应用ANSYS软件的热分析功能对靶材的热／力学效应进行了模拟，获得了脉冲激光辐照下靶材的三维温度场和热应力场分布。这对我们今后在应用PLD技术进行薄膜生长方面，具有直接或间接的指导作用。②根据能量守恒原理给出了等离子体的产生方程，并将等离子体在空间的传播近似的看作等温膨胀和绝热膨胀两个过程，由此推导出等离子体在空间传播的状态方程，对等离子体的传播方程进行差分求解，给出相应分析的曲线；③总结了薄膜生长的理论，利用动力学蒙特卡洛（KMC）方法，通过Microsoft.NET技术平台对薄膜生长初期的形貌进行了模拟。其中，所开发的PLD薄膜生长的模拟程序成功地模拟了基于硅衬底的Cu薄膜的生长。在程序中可以方便的设置模拟参数，对数据的分析功能较为全面。并将其结果与实验结果进行了比较，为今后进一步理论和实验研究提供参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 课题来源及主要研究内容
• 第二章 靶材及薄膜材料制备
• 2.1 靶材的制备与分析
• 2.1.1 固相烧结反应法
• 2.1.2 块体靶材的制备
• 2.1.3 块体靶材的x射线衍射分析
• 2.2 薄膜材料的制备
• 2.2.1 PLD薄膜生长技术简介
• 2.2.2 激光与固体靶作用生成等离子体
• 2.2.3 等离子体的空间膨胀过程
• 2.2.4 薄膜生长理论
• 2.2.5 PLD的几个研究热点
• 2.2.6 CMR薄膜的制备及光电导器件制作
• 第三章 CMR薄膜材料的特性及实验分析
• 3.1 钙钛矿锰氧化物的结构
• 3.1.1 晶体结构
• 3.1.2 磁结构
• 3.1.3 电子结构
• 3.1.4 导电性能
• 3.2 钙钛矿锰氧化物CMR效应的物理机制
• 3.2.1 双交换作用机制
• 3.2.2 Jahn-Teller畸变
• 3.2.3 极化子理论
• 3.2.4 低场磁电阻效应的物理机制
• 3.3 影响CMR效应的几个因素
• 3.3.1 氧含量对CMR效应的影响
• 3.3.2 衬底温度对CMR效应的影响
• 3.3.3 A位离子替代对CMR效应的影响
• 3.3.4 外磁场对CMR效应的影响
• 3.4 薄膜的X射线衍射分析
• 3.5 薄膜的X射线光电子能谱分析
• 3.6 薄膜的表面分析
• 3.7 薄膜的电阻-温度特性
• 1/3(Ca_2/3Sr_1/3)_2/3MO₃薄膜的电阻-温度特性'>3.7.1 La_1/3(Ca_2/3Sr_1/3)_2/3MO₃薄膜的电阻-温度特性
• 1/3(Ca_2/3Sr_1/3)_2/3MnO₃薄膜磁电阻效应'>3.7.2 La_1/3(Ca_2/3Sr_1/3)_2/3MnO₃薄膜磁电阻效应
• 3.7.3 A位离子半径对材料电输运特性的影响
• 1/3(Ca_2/3Sr_1/3)_2/3MnO₃薄膜光电特性'>3.8 La_1/3(Ca_2/3Sr_1/3)_2/3MnO₃薄膜光电特性
• 第四章 激光辐照靶材的数值分析
• 4.1 脉冲激光辐照下材料的热/力学效应
• 4.1.1 脉冲激光束辐照下材料的热效应
• 4.1.2 脉冲激光束辐照下材料的热应力效应
• 4.2 ANSYS数值分析
• 4.2.1 有限元基本概念和原理
• 4.2.2 ANSYS软件热分析功能
• 4.3 ANSYS软件热分析在PLD技术数值分析中的应用
• 4.3.1 数值分析的相关参数
• 4.3.2 激光源的加载
• 4.3.3 分析步骤
• 第五章 PLD薄膜生长的数值模拟
• 5.1 等离子体羽辉的产生和空间输运过程分析
• 5.1.1 理论模型
• 5.1.2 数值模拟
• 5.1.3 结论
• 5.2 薄膜生长模拟简介
• 5.2.1 基本理论方法
• 5.2.2 密度泛函理论及势能面的计算
• 5.2.3 动力学蒙特卡罗方法（KMC）
• 5.2.4 KMC方法在表面生长研究中的应用
• 5.3 薄膜生长的模型
• 5.4 基于硅衬底的铜薄膜生长模拟
• 5.4.1 基于Microsoft.NET平台的数据存储分析方法
• 5.4.2 薄膜生长模拟程序简介
• 5.4.3 模拟效果
• 5.4.4 实验比较
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及参与科研情况
• 致谢