外延锰/钌氧化物多层膜和超晶格中的界面八面体结构邻近及其磁性关联

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多年来,关于具有ABO3结构特征的过渡金属氧化物界面的基础物理研究和应用电子器件开发始终是凝聚态物理研究的热点之一。强关联电子体系范畴中,电荷、自旋、轨道和晶格等多自由度的竞争与耦合不仅具有深刻的物理内涵,各种能量相当的内禀相互作用更预示着实现量子调控的物理基础。同时,该类材料对于设计新型功能材料亦有着重大的意义。这源于钙钛矿材料的基本结构单元-氧八面体的大小,形状和倾斜/旋转等自由度的畸变与耦合,产生和调制了一系列基于电子-声子耦合的奇异物理性能。例如铁磁,铁电,超导,和多铁性等都直接与之相关。随着器件小型化和功能多样化的应用需求,基于结构类同性和化学稳定性,该类材料良好的匹配界面为全钙钛矿外延薄膜或超晶格结构的顺利构成提供了优渥的土壤。异质外延的两种过渡金属氧化物,伴随其原子级界面的实现,体系固有平移对称性会被破坏,界面处几何、电荷、自旋和轨道的重构,使界面处的电子关联进一步增强,已然也必将带来更多新奇的量子物态。本论文着重介绍了钙钛矿结构的庞磁阻材料锰氧化物La2/3Ca1/3MnO3和顺磁金属材料钌氧化物CaRuO3的异质外延界面八面体的结构邻近效应与磁性关联。隶属于强关联体系,La0.67Ca0.33MnO3/CaRuO3界面处的电荷转移,抑制了维度骤减带来的“死层”效应,在超薄锰氧化物材料中保持了类似块材的高居里温度TC;同时,伴随全正交多层膜异质外延结构(含衬底)正交性的畸变强弱,实质上是界面八面体的协同行为亦能有效调制超薄锰氧化物材料中的磁滞回线的形状及矫顽力的大小。最后,在对未来工作的展望中,对于锰/钌氧化物界面的物理内涵的深入探索,譬如运用电子自旋共振仪(ESR)尝试解开体系中的反铁磁序之谜,运用磁力显微的方法,观察样品磁畴随温度的变化,对于体系原子单胞厚度的沉积,真正实现二维体系后会否演生出更多奇异的物理现象等都吸引着我们对该体系做进一步的研究。基于界面八面体调控钙钛矿氧化物的物理性能的想法,我们也会尝试在新的氧化物体系中(例如镍氧化物),找到实现奇异物性调控的契机。  本论文总共分七章  第一章绪论作为论文的理论背景,我们主要从氧八面体畸变的角度介绍了具有钙钛矿结构强关联体系的物理特性。从块材材料的无界面,外延薄膜材料的单衬底界面,到超晶格外延体系的多界面,钙钛矿结构材料源于八面体大小、形状和协同倾斜/旋转自由度的变化,会增强或演生出丰富而又精妙的物理现象,例如铁磁金属性,超导电性,铁电性,多铁性等等。在前期的研究基础上,我们利用全正交性的锰/钌氧化物的异质外延界面,对多界面体系中的超薄锰氧化物的磁电性能进行了细致的研究,同时也介绍了本文的立意与创新点。  第二章在本章节中,我们详细地介绍了本论文中所提及的外延薄膜的制备手段以及结构、磁电性能的表征手段。其中制备手段主要是脉冲激光沉积技术(PLD),表面和结构的表征手段为X射线衍射技术(XRD),倒易空间测量技术(RSM),X射线全反射(XRR),原子力显微(AFM),透射电镜显微(TEM),磁电性能则主要是通过低温测量系统(SQUID、PPMS和VSM)等等。  第三章本章节通过对锰/钌氧化物超晶格结构的异质外延,在超薄锰氧化物材料La2/3Ca1/3MnO3中得到了块体的铁磁转变温度(TC~255 K)。针对这一现象,我们通过设计改变各周期组成成分的厚度,超晶格的周期数,界面绝缘层的插入,氧气气氛中后退火处理等,详细研究了La2/3Ca1/3MnO3/CaRuO3异质外延体系中稳定的块体铁磁转变温度的物理起源。我们认为,是界面处CaRuO3邻近层的转移电荷以及氧供给,成功抑制了La2/3Ca1/3MnO3界面层的“死层”效应,维持了La2/3Ca1/3MnO3的块体性能。  第四章全正交钙钛矿结构CaRuO3/La2/3Ca1/3MnO3/CaRuO3/NaGaO3体系源于晶体对称性和结构参数的高度匹配,锰/钌氧化物外延体系的物理性能敏感地受到界面处BO6八面体单元的角度畸变影响。本章节通过改变三明治结构外延体系中锰、钌氧化物层的厚度,调试材料界面处八面体的角度弛豫机制,进而连续改变超薄La2/3Ca1/3MnO3层的矫顽场的大小。  第五章在本章节中,我们发现,不同于三明治结构的单矫顽场的连续可调,CaRuO3/La2/3Ca1/3MnO3超晶格体系中多矫顽场磁滞回线的引入,对应于更加复杂的界面处的BO6八面体单元的角度畸变。通过设计分析改变周期组成成分的厚度,外延体系的超晶格周期数,两种材料的相对生长次序,同时对体系磁矩进行分析,我们得出BO6八面体结构单元的共格和弛豫状态会明显对应产生两种矫顽场的结论。  第六章本章节中,我们基于对物理内涵和器件设计两方面的考量,对锰/钌氧化物界面的研究作出了展望。其中包括运用电子自旋共振仪(ESR)和磁力显微技术(MFM)深入研究体系的反铁磁基态,对材料相应正/负磁阻的以及各种磁隧道结的初步探索,这都将证明该界面磁电性能具有重大的研究意义和应用前景。
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