(La，Nd)0.7Sr0.3MnO3外延膜的应力与厚度效应研究

论文摘要

自从1990’s年代发现钙钛矿结构的锰氧化物具有巨磁电阻效应以来，有关它的研究已成为当前强关联电子体系的一个研究热点。由于巨磁电阻效应在工业上具有广泛的应用背景，如信息存储领域中的磁记录元件，磁随机存储和传感器，以及在自旋极化的全氧化物器件上的应用。然而，这些应用主要是基于薄膜的特性。从基础研究上来讲，这些锰氧化物表现出丰富的物理内容，如顺磁-铁磁相变伴随绝缘-金属相变，电荷轨道有序，相分离，Jahn-Teller畸变，以及各种相互作用之间的耦合，这些复杂的现象激发了物理学研究人员的研究兴趣。更重要的是，从应用研究上来讲，对巨磁阻薄膜的研究和探索，不仅对当前的自旋电子学的应用有重要意义，而且为全氧化物或氧化物-金属原型薄膜器件的研制提供了有效途径。本论文通过对钙钛矿锰氧化物外延膜的应力、氧含量与厚度效应的研究，探索了锰氧化物外延膜的结构畸变对磁性和输运性质的影响，特别是原位沉积氧压与超薄薄膜的结构与输运性质的关系，晶格失配应变与厚度效应，角度畸变引起的应变与输运行为，以及结构畴宽度随薄膜厚度的变化等进行了深入的分析和讨论。部分研究结果已在国际刊物上发表。整篇论文分为五章。第一章全面介绍了巨磁阻锰氧化物的物理和薄膜的研究状况。首先回顾了锰氧化物的各种性质，如晶体结构，电子结构，交换作用，电荷有序，输运性与巨磁效应，磁各向异性，相分离，掺杂效应，及理论模型。最后讨论了锰氧化物外延薄膜的制备方法，及影响锰氧化物薄膜结构和电磁性质的相关因素（如氧含量，晶格失配应变，薄膜厚度，角度畸变及热膨胀系数等）以及期待解决的问题。第二章主要讨论氧含量与巨磁阻锰氧化物薄膜的微结构及电磁性能的关系。以Nd0.7Sr0.3MnO3（NSMO）外延薄膜为研究对象，通过研究原位沉积氧压与外延膜的厚度效应的关系，指出超薄薄膜的结构和电阻／磁转变主要依赖于原位沉积氧压；而对于较厚的薄膜，其结构和电磁性既受原位氧压也受后处理过程控制，这可归因于厚膜中柱界的出现提供了氧原子进出的通道。因此，为了制备高质量的巨磁阻超薄薄膜，需要高的制备氧压。真空退火引起薄膜单胞沿着c轴方向膨胀，而薄膜平面内的结构不随氧缺失而变化。第三章研究了晶格失配应变引起的晶格畸变（即Jahn-Teller畸变）对NSMO外延膜的结构和电磁性质的影响。我们的研究指出薄膜的应变状态直接地影响薄膜的输运行为。对共格外延的薄膜，其结构和电磁性质主要依赖于晶格失配应变（即J-T）和薄膜厚度。薄膜与衬底的晶格失配越大，发生晶格驰豫的厚度越小，且随着膜厚的增加，金属-绝缘体转变温度TP更快的趋近于单晶块材的TP。因此，为制备高性能的巨磁阻薄膜，晶格失配必须被考虑。第四章研究菱形结构的La0.7Sr0.3MnO3（LSMO）生长在立方衬底上引起的角度畸变对薄膜的微结构和电磁性质的影响。首先讨论锰氧化物（LSMO）外延膜的厚度与角度畸变的关系；由于LSMO具有菱形对称性，当晶体结构转变为赝立方时，其赝立方夹角为90.26°。因此，菱形的LSMO匹配生长在立方单晶衬底上，除了受晶格参数失配引起的应变外，还存在另一种应变（即角度畸变）来自于LSMO匹配生长在立方衬底上引起的。实验结果指出对应变的薄膜其转变温度TP强列的依赖于晶格失配应变和膜厚；对较厚的薄膜，随着厚度的增加，薄膜的转变温度TP快速接近其单晶块材的Tp值，这可归因于角度畸变的弛豫；角度弛豫和晶格失配应变的弛豫是相互独立的。第五章研究了共格生长的La0.7Sr0.3MnO3（LSMO）外延膜的厚度与畴宽的关系。结果指出外延的LSMO薄膜生长在（LaAlO3）0.3（Sr2AlTaO6）0.7（LSAT）衬底上出现周期性结构畴，随着膜厚的增加畴宽变大，这个畴宽随与厚度的关系与一维孪晶畴模型的结果相一致。这个结构畴可解释为角度畸变弛豫引起的超晶格结构。对生长在SrTiO3衬底上的LSMO薄膜，没有观察到周期畴结构，这可归因于LSMO和STO之间较大的晶格失配（+0.83％），从而使较厚的LSMO／STO薄膜中的弹性应变能更容易以晶格缺陷（如：失配位错）的形式释放。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 钙钛矿锰氧化物物理、薄膜的研究进展
• 1.1 引言
• 1.2 晶体结构
• 1.3 电子结构与交换作用
• 1.4 磁结构
• 1.5 输运性质
• 1.6 巨磁电阻效应和磁输运
• 1.7 有序相与掺杂
• 1.8 相分离
• 1.9 理论模型
• 1.10 锰氧化物研究展望
• 1.11 锰氧化物薄膜的生长、结构和物性
• 1.11.1 锰氧化物薄膜的制备方法
• 1.11.2 晶格应变对外延膜的生长及其微结构的影响
• 1.11.3 晶格应变对外延膜磁转变温度的影响
• 1.11.4 钙钛矿结构的单胞的几种变形
• 1.12 本章小结
• 参考文献
• 第二章 氧含量对锰氧化物薄膜的结构和物性的影响
• 2.1 引言
• 0.7Sr_0.3MnO₃块材及薄膜的制备和实验测量'>2.2 Nd_0.7Sr_0.3MnO₃块材及薄膜的制备和实验测量
• 0.7Sr_0.3MnO₃靶材制备'>2.2.1 Nd_0.7Sr_0.3MnO₃靶材制备
• 2.2.2 NSMO外延膜制备及室验测量
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 沉积氧压对NSMO外延膜结构的影响
• 2.3.2 沉积氧压与外延的NSMO薄膜电磁性的关系
• 2.3.3 沉积氧压对应变薄膜的结构和电磁性影响
• 2.3.4 真空退火对NSMO薄膜的结构和电磁性影响
• 2.4 本章小结
• 参考文献
• 第三章 晶格应变对锰氧化物薄膜的结构和电磁性影响
• 3.1 引言
• 0.7Sr_0.3MnO₃薄膜的制备和实验测量'>3.2 Nd_0.7Sr_0.3MnO₃薄膜的制备和实验测量
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 晶格失配应变对NSMO外延膜结构的影响
• 3.3.2 NSMO外延膜的应变态与电磁性关系
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 0.7Sr_0.3MnO₃外延膜结构和输运性的影响'>第四章 角度畸变诱导的应变对La_0.7Sr_0.3MnO₃外延膜结构和输运性的影响
• 4.1 引言
• 0.7Sr_0.3MnO₃薄膜的制备和实验测量'>4.2 La_0.7Sr_0.3MnO₃薄膜的制备和实验测量
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 LSMO外延膜的结构表征
• 4.3.2 LSMO外延膜的厚度与输运性关系
• 4.3.3 LSMO中的摇摆曲线的弥散散射与角度弛豫的关联
• 4.4 本章小结
• 参考文献
• 0.7Sr_0.3MnO₃薄膜中的应变驰豫'>第五章 共格外延的La_0.7Sr_0.3MnO₃薄膜中的应变驰豫
• 5.1 引言
• 0.7Sr_0.3MnO₃薄膜的制备和测量'>5.2 La_0.7Sr_0.3MnO₃薄膜的制备和测量
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 外延的LSMO薄膜的结构表征
• 5.3.2 晶格失配对LSMO外延膜中畴结构的影响
• 5.3.3 共格外延的LSMO薄膜的厚度与磁性及畴宽的关系
• 5.3.4 共格生长的LSMO薄膜中平衡畴宽的理论模型
• 5.4 本章小结
• 参考文献
• 致谢
• 读博士期间发表论文