钙钛矿镍酸盐异质结构的制备与性能研究

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近些年来,以镍酸盐为代表的钙钛矿关联氧化物材料一直是凝聚态物理和材料科学研究的热点。在钙钛矿镍酸盐异质结构中,晶格、电荷、自旋和轨道自由度之间强烈的相互作用使得该类材料有着复杂的物理性质。通过应变、尺寸、超晶格结构设计等手段调控这些自由度,可以实现对材料的电、磁特性的调控。本论文以镍酸盐异质结构为研究对象,制备了 LaNiO3(LNO)超薄膜和LaNiO3/LaMnO3(LNO/LMO)超晶格结构,研究了其电、磁特性,并通过应变、尺寸效应、缓冲层的插入以及超晶格结构的设计等手段对其输运特性、磁性进行了调控,具体工作如下:(1)利用脉冲激光沉积技术(PLD)和反射高能电子衍射仪(RHEED)在(001)方向的SrTiO3(STO)和LaAlO3(LAO)单晶衬底上分别外延生长了一系列不同厚度的LNO超薄膜。X射线衍射(XRD)表征表明STO衬底上的LNO薄膜受拉应力作用。原子力显微镜(AFM)表征表明超薄膜具有原子级别平整的表面。输运特性测试表明,随着薄膜厚度的减小,薄膜电阻逐渐增大。当厚度小于某一临界值时,LNO由金属态变为绝缘态。在STO和LAO衬底上这一临界厚度分别为5和4个晶胞(u.c.)。对面电阻-温度曲线的拟合结果表明该转变的起因是LNO薄膜中载流子的局域化效应。(2)在5u.c.厚的LNO薄膜与STO衬底间插2u.c.厚的STO薄膜作为缓冲层后,LNO薄膜的输运特性发生了明显的变化,温度高于100 K时LNO由绝缘态变为金属态。X射线光电子能谱仪(XPS)分析表明低氧压下(10-3mbar)生长的STO薄膜中存在氧空位。LNO薄膜输运特性的变化可归因于STO薄膜中的氧空位。氧空位提供了大量电子,电子从STO层转移到LNO层,抑制了LNO层中载流子的局域化。通过对STO薄膜进行退火处理以及提高生长氧压,STO薄膜中的氧空位大大减少,5u.c.厚的LNO薄膜又恢复了绝缘态。(3)利用PLD在(111)方向的STO单晶衬底上生长了[(LNO)m/(LMO)n]x超晶格薄膜。磁性测试结果表明在低温下这一包含顺磁铁磁界面的体系中存在交换偏置现象,其原因可能是界面处电荷转移导致的铁磁相互作用。改变超晶格周期数x和LNO组元的层数m后,超晶格的交换偏置场HE和矫顽场HC的大小均发生了变化,具体表现为:随着周期数x和LNO组元的层数m的减小,交换偏置场HE和矫顽场HC均变小。
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