LSATO衬底表面制备La1-xAxMnO3(A=Ca,Sr)薄膜材料及其电输运性能

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非制冷红外热辐射仪具有对环境温度反应极其灵敏的优点,因而被广泛地设计和利用于可穿戴工业、智能传感器和其他应用。电阻率-温度系数(TCR)反映了传感器对环境温度的敏感性。高的TCR值和接近室温的TCR峰值温度(Tk)是非制冷红外热辐射仪的重要参数。La1-xAxMnO3(A=Ca,Sr)材料由于具有可控的Tk和高TCR值,是应用于非制冷红外热辐射仪的潜在候选材料。通过Ca和Sr掺杂可以调节材料中的双交换(DE)和Jahn-Teller(JT)效应,进而影响材料的电学性能。所以,利用Ca、Sr共掺杂优化La1-xAxMnO3材料的电学性能,有望获得具有室温高TCR的钙钛矿材料。因此,本论文选用晶格适配和热胀适配优良的La0.3Sr0.7Al0.65Ta0.35O3(LSATO)单晶衬底,采用溶胶凝胶旋涂法制备了Ca、Sr共掺杂的La1-xAxMnO3薄膜材料,对其结构和性能进行测试,获得了以下实验结果:1.采用旋涂法制备了La0.67Ca0.33MnO3薄膜,通过改变烧结温度,探究不同烧结温度对薄膜性能的影响,优化制备工艺。XRD表明所制得的薄膜沿着衬底(001)晶向择优生长。SEM和AFM显示,1200°C下烧结的薄膜结晶质量最佳,性能最好。电阻率-温度测试表明,薄膜的电阻率随烧结温度的升高而降低,当温度达到1300°C时出现反常上升。其中,烧结温度为1200°C时,薄膜的电阻率最低。此时,薄膜材料的TCR达到了30.16%K-1;2.固定烧结温度1200°C,使用小离子半径Ca2+离子替代La1-xCaxMnO3(LCMO)的A位,材料中Mn3+/Mn4+离子对的比例得以调节,另一方面改善了体系中的MnO6八面体畸变。上述变化显著改善了DE和JT效应,进而增强了LCMO薄膜的TCR和磁阻(MR)。SEM结果显示LCMO薄膜具有多晶结构,结晶质量较好。在掺杂量x=0.33时,其峰值TCR和峰值低场(1 T)MR分别达到了30.13%K-1和68.6%。大离子半径Sr2+掺杂时,La1-xSrxMnO3薄膜材料表现出电阻率降低,Tk以及Tp逐渐向高温移动的趋势。TEM和电阻率-温度曲线显示,La0.725Sr0.175MnO3薄膜材料的膜厚约为20~45 nm,其TCRMAX达到了室温(300.1 K)下11.6%K-1。结果表明,Ca掺杂会显著提高材料的TCR值,但其峰值温度Tk远低于室温。而Sr掺杂则使得材料的Tk接近室温,但其TCR数值较低;3.结合La1-xCaxMnO3高TCR值、La1-xSrxMnO3峰值温度接近室温的特点,使用Ca、Sr共掺杂,旋涂法制备了La0.67Ca0.33-xSrxMnO3薄膜。SEM截面测试显示薄膜的厚度大约为70 nm,结晶质量较好。薄膜Tk随Sr掺杂增加而增加,而其峰值TCR逐渐降低。在x=0.06时,La0.67Ca0.33-xSrxMnO3薄膜的TCR达到了11.4%K-1,Tk达到了室温(291.3 K)。本论文的研究结果为材料应用于非制冷的红外测辐射热计和磁传感器提供了材料储备和理论支撑。
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