强关联氧化物薄膜的应力调制效应及低温反常输运行为研究

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钙钛矿锰氧化物一方面具有极高的自旋极化率以及在居里转变温度附近发生的庞磁电阻效应,成为未来自旋电子学器件的重要候选材料之一。另一方面,该体系传导电子在低温下的输运特性异常复杂,能反映出系统的低能激发态特征以及电子的散射机制,尤其是传导电子在低温下声子的作用减小甚至消失,此时更能展现出内禀物理机制,引起了科研人员的广泛关注。除此之外,由于锰氧化物材料晶格间常存在弹性应力,且此应力对电子相分离的本征属性有很强烈的调制作用,显示出奇异的性质。基于上述特征,本论文以Pr5/8Ca3/8MnO3薄膜和掺杂ZrO2的La2/3Sr1/3MnO3薄膜为研究对象,详细研究了在应力调节作用下材料的磁特性和电输运性质的变化,以及钙钛矿铜氧化物Y1-xPrxBa2Cu3O7-δ在低温区异常的电输运行为。同时,对金属/氧化物Co/CoO双层膜的磁锻炼效应及其物理机制进行了初步探索。本论文共分六章:第一章综述了强关联氧化物实验和理论的研究发展。特别关注了锰氧化物晶格间的弹性应力对电子相分离的本征属性的调制作用,以及以钙钛矿锰氧化物和超导铜氧化物在低温下电输运性质出现的类近藤反常等行为研究进展,并对上述体系中所涉及的交换偏置现象进行了简述。第二章主要介绍实验过程中样品的制备,样品的表征,以及样品的测试,重点讲述了薄膜样品制备的原理。高质量样品的制备是实验研究的基石。此外还着重讲述样品测试中利用的两种精密仪器---超导量子干涉仪和物性测量系统,以及它们物性测量的原理。第三章研究了强关联锰氧化物Pr5/8Ca3/8MnO3薄膜内部应力对磁特性及输运性质的影响。通过制备高质量的薄膜,使Pr5/8Ca3/8MnO3的[100]晶向和[001]晶向被分别锁定在LaAlO3的[010]和[021]晶向上。面内晶格失配在薄膜上诱导产生沿着两个不同晶向的应变场,即拉伸应变和压缩应变。测量结果表明在两个不同方向的应力作用下,磁化强度显著不同,这表明磁化强度出现了易磁化轴和难磁化轴。上述现象的出现可归因于拉伸正八面体长的Mn–O键在x–y平面形成了“之”型结构。在实验中还观察到交换偏置场沿拉伸方向测量比压缩方向测量大许多。究其原因主要是铁磁和反铁磁界面处晶格的畸变。同时,通过引入适当浓度的非磁性纳米级ZrO2微粒作为二次相添加到La2/3Sr1/3MnO3薄膜背底中,此时基片和薄膜的晶格失配所诱导的的压缩应力,可通过调节ZrO2纳米颗粒嵌入在膜基体中的密度来得到调节。实验结果表明随着ZrO2颗粒密度的增加,平均晶格参数逐渐修正,La2/3Sr1/3MnO3薄膜的双轴外延应力得到调制。第四章研究了钙钛矿锰氧化物La2/3Sr1/3MnO3和超导铜氧化物Y1-xPrxBa2Cu3O7‐δ在低温区异常的类近藤电输运行为。实验发现不同掺杂浓度的ZrO2对La2/3Sr1/3MnO3薄膜和钙钛矿氧化物Y1-xPrxBa2Cu3O7‐δ(x=0.44-0.48)在低温区异常的电阻最小值输运行为。结果表明,非磁性ZrO2颗粒的掺入增加了体系的无序对自旋却没有影响。在低温区发现电阻最小值随着ZrO2浓度的增加而增大。通过分析发现,低温电阻最小值现象与近藤效应无关,与弱局域化密切相关。主要因为非磁性颗粒ZrO2掺入到金属性La2/3Sr1/3MnO3薄膜中改变了弥散常数,在低温下增加了弱局域化的贡献。而对于Y1-xPrxBa2Cu3O7‐δ(x=0.44-0.48)样品,特别是在低温区的类近藤效应电阻异常。在超导转变温度Tc以下,近藤效应电阻突然增加。当磁场小于0.05T时,电阻最小值处的温度,温度Tmin随着磁场增强也快速升高。然而对于磁场大于0.05T时,温度Tmin随着磁场增强迅速降低。在这里低温电阻最小值现象我们认为是反铁磁、超导以及铁磁相共存的磁性散射相关的自旋散射引起的。第五章对生长在单晶Si(100)基片上Co/CoO双层膜样品进行了各向异性磁电阻的详细研究。通过利用微扰场打破磁锻炼效应发生后形成的磁畴,进而诱导磁锻炼效应恢复。通过分析发现磁锻炼效应主要有两部分原因引起,第一,反铁磁自旋在冷却场方向总的强度减弱,被部分分散到其他易极化轴方向。第二,磁畴的形成。测量结果显示,当微扰场偏离角度小于30°时,磁锻炼效应没有恢复,主要原因是铁磁层内部形成的磁畴没有被破坏。这也同时表明,磁畴内部自旋之间偏离的最大夹角为30°。第六章对本论文工作进行了总结。并对继续开展材料应力对钙钛矿氧化物性质的调节及低温奇异时的电阻最小值现象的研究提出了展望。
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