铁性材料薄膜制备、性能及器件设计

论文摘要

钙钛矿结构锰氧化物薄膜由于巨磁电阻效应等,在高密度存储器件、磁随机存储和传感器以及自旋极化的全氧化物器件等方面具有广阔的应用前景。钙钛矿结构锰氧化物是典型的强关联体系,电子、晶格、自旋、轨道等之间相互作用,使其表现出来电荷有序、轨道有序以及相分离等非常丰富的物理内容,这些复杂的现象吸引了众多物理研究人员的兴趣。因此,对钙钛矿结构锰氧化物薄膜的研究和探讨,不仅对自旋电子学基础物理研究具有重要意义,而且对于相关器件,特别是对全氧化物或者氧化物-金属器件的研制具有非常重要的现实意义。铁电薄膜具有良好的铁电、压电等性质,在各种微电子器件（例如非挥发性动态随机存储器和铁电场效应管上）有着巨大的应用价值,而被广泛研究。其中,非挥发性存储器不需外场就能保存信息,是一个理想的存储器件。疲劳行为和印记效应等是导致铁电器件失效的主要机制,影响着铁电存储器的使用寿命,能明白并解决它们,对实际应用有重要的意义。多铁材料是指同时具有铁电、铁磁、铁弹中的两种或两种以上特性的材料。人们最关注的多铁材料是铁磁电材料,即同时具有铁电性和铁磁性,由于其具有的磁电耦合效应,使其在电子器件方面有着广泛的应用前景,例如磁电随机存储器。在本文中,我们通过对钙钛矿锰氧化物外延膜的应力和厚度效应的研究,探索了锰氧化物外延膜的应力和厚度效应对其磁性和输运性质的影响,观察到应力诱导的电荷有序绝缘相合相分离。我们制备了高质量的铁电电容器Pt/PZT80/LSMO,并以此样品研究了电容器的失效机制:疲劳和印记,进一步了解了失效机制的起源。以上述两方面为基础,研究了多铁复合薄膜的磁电耦合效应。本论文总共分六章。第一章主要分成三部分:第一部分我们回顾了钙钛矿结构锰氧化物的基本性质和主要特征,包括晶体结构,晶场劈裂,磁结构,相图,有序相和相分离等,以及,从外延膜的应力和厚度效应对薄膜的晶体结构和物理性能的影响;第二部分我们简单的介绍了铁电材料的基本性质和应用,包括存储元件,晶体结构,畴结构,极化翻转,以及铁电电容器的失效机制。第三部分简单的介绍了多铁材料以及多铁复合薄膜,并对磁电耦合作用和其应用磁电随机存储器做了简单介绍。第二章简要地介绍了薄膜制备所使用的锰氧化物和PZT块材的制备方法,脉冲激光沉积薄膜方法及其特点:优点是制备工艺简单,容易上手,缺点是不易大规模生产,薄膜表面容易出现颗粒。我们系统得介绍了:铁电（PZT）电容器（薄膜）的制备参数,以及结构和铁电性能的表征;锰酸盐（LPCMO）薄膜制备参数,以及结构、磁性质和输运性质的表征。并对测量所需要的仪器和基本原理进行了简单介绍。第三章系统研究了分别生长在LSAT（001）、NGO（110）和NGO（001）衬底上的LPCMO薄膜的输运性能和磁性质,他们表现出明显的不同。特别是,即使LPCMO块材是铁磁金属基态,LPCMO/LSAT（001）薄膜表现出了明显的两相共存（铁磁金属态和电荷有序绝缘态）。在LPCMO/LSAT（001）薄膜上我们观察到明显的低场磁阻,温度范围是:10200K。这些现象是由于面内且应力弛豫产生的,同时这也预示着可以通过应力模版来调控外延薄膜的相分离和庞磁阻。第四章主要研究了Pr掺杂对LCMO薄膜的输运性质影响。我们利用脉冲激光沉积方法分别在NGO（110）,NGO（001）,LSAT（001）衬底上制备了LPCMO（X=0.1,0.2,0.5）薄膜,由于Pr掺杂引起的Jahn-Teller畸变和衬底失配引起的应力共同作用下,改变了LPCMO薄膜的输运性质,大大丰富了其相图。第五章对铁电电容器的失效机制（印记和疲劳）进行了详细研究。对于电容器疲劳行为的研究,我们主要发现LSMO薄膜作为电极仍然会产生疲劳,且与翻转频率有关,并给出了一种合理的解释。对于印记行为研究,我们在PZT80薄膜发现了和别人相反的印记行为,并进行了合理解释。第六章铁电薄膜（PZT80）的剩余极化会随温度、磁场发生变化,但是数值比较小,而且变化规律现在还解释不清,还需要进步研究。在这个实验设计中可能还存在其他一些问题需待解决,例如衬底对磁电耦合有一定钳制作用,PSMO薄膜上生长PZT80薄膜,会不会对PSMO薄膜本身有影响等。基于这些问题,我们对磁电耦合作用研究有一些新的设计,这是我们将来进一步研究磁电耦合作用的方法:通过电来调控磁性质,制备类似铁电场效应管的结构,同时要确定PSMO薄膜上生长PZT薄膜和不生长PZT薄膜又没有区别。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 第一章 引言
• 1.1 自旋电子学简介
• 1.2 钙钛矿锰氧化物的物理性能
• 1.2.1 锰氧化物的晶体结构
• 1.2.2 晶场劈裂与Jahn-Teller 效应
• 1.2.3 磁结构与相图
• 1.2.4 有序相
• 1.2.5 相分离
• 1.3 钙钛矿锰氧化物外延膜的应力与厚度效应
• 1.3.1 外延膜中的应力
• 1.3.2 衬底导致的应变
• 1.4 铁电材料简介
• 1.4.1 铁电存储器
• 1.5 铁电材料的物理性能
• 1.5.1 铁电材料的晶体结构
• 1.5.2 铁电薄膜的畴结构
• 1.5.3 铁电极化翻转
• 1.6 铁电材料的失效机制
• 1.6.1 铁电电容器的印记效应
• 1.6.2 铁电电容器的疲劳机制
• 1.7 多铁材料的简介
• 1.7.1 复合多铁材料
• 1.8 本章小结
• 参考文献
• 第二章 样品制备与性能测试
• 2.1 靶材的制作
• 2.2 脉冲激光沉积方法制备薄膜
• 2.3 铁电电容器的制备与表征
• 2.3.1 X 射线衍射
• 2.3.2 铁电性能表征
• 2.3.3 铁电电容器的结构和铁电性能
• 2.4 锰酸盐薄膜的制备与表征
• 2.4.1 锰酸盐薄膜的结构表征
• 2.4.2 磁性和输运性能测量
• 2.5 本章小结
• 第三章 不同衬底对薄膜性能的影响
• 3.1 引言
• 3.2 样品制备与表征
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 外延薄膜的弛豫方式
• 3.3.2 应力失配对LPCMO 外延膜电磁性质的影响
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 0.67Ca_0.33Mn0₃薄膜的影响'>第四章 Pr掺杂对La_0.67Ca_0.33Mn0₃薄膜的影响
• 4.1 引言
• 4.2 样品制备与测试表征
• 4.3 输运性质的讨论
• 4.4 红外探测
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 铁电电容器的失效机制研究
• 5.1 引言
• 5.2 样品的制备与结构表征
• 5.3 疲劳机制的研究
• 5.4 印记行为研究
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第六章 角度失配对薄膜性能的影响
• 6.1 引言
• 6.2 样品制备与实验设计
• 6.3 结果讨论
• 6.4 本章小结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文与获奖情况