CMR锰氧化物薄膜的制备及其激光辐照效应研究

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钙钛矿掺杂稀土锰氧化物由于具有CMR效应,因而在磁存储和传感器领域具有很大应用潜力。这类材料属一类典型的电子强关联体系,具有新颖的自旋输运和电子输运特性,涉及到自旋、晶格与轨道之间的相互作用,有着非常丰富的物理内涵,是过去十多年来凝聚态科学研究的重点领域。本论文详细研究了脉冲激光溅射沉积CMR锰氧化物薄膜的制备工艺,并对此类材料的激光辐照效应进行了探索。论文的主要内容如下。第一章主要回顾和分析了CMR锰氧化物的发展历史、研究现状以及今后的发展方向。首先,对CMR锰氧化物的晶体结构、电子结构、自旋-电荷-轨道有序现象、磁电输运特性和电子相图做了简要的介绍。接着又介绍了CMR效应的机理研究和影响因素以及CMR材料的应用。最后,从工业应用和理论研究的角度对CMR锰氧化物进行了展望,并由此阐述了本论文的研究目的。第二章扼要介绍了本论文中材料的制备技术和所使用的材料表征方法。首先介绍了固相反应法制备CMR锰氧化物陶瓷的详细步骤,又简要描述了脉冲激光溅射沉积(PLD)薄膜的原理以及PLD技术的优点。接着扼要介绍了实验中使用到的一些测量材料物理特性的仪器设备。如X射线衍射仪,原子力显微镜和多功能物性测量(PPMS 6000)系统等。最后,着重介绍我们自主设计并组建的电阻-温度自动测试系统,利用该系统测量的数据与中科院物理所的PPMS测量的结果相符。第三章首先详细研究了PLD技术制备LBMO薄膜过程中,工艺参数如沉积温度,氧压以及退火温度和时间等对薄膜性能的影响。通过系统实验,获得了制备LBMO薄膜的最佳工艺参数:TS=800-850℃;PO2≈80Pa;退火温度:850-900℃;退火时间:10-12h。然后,利用薄膜厚度的变化,研究了应变对LBMO薄膜磁电特性的影响。研究发现,LBMO薄膜的居里温度和绝缘态-金属转变温度随压缩应变的增大而减小,即压缩应变抑止了LBMO薄膜的铁磁性,降低了居里温度。这一结果与以往压缩应变增强铁磁性并提高居里温度的结论相异。利用CMR锰氧化物的应变效应对eg轨道稳定性的影响解释了这种异常的应变效应。最后,利用PLD技术制备了沿(001)方向取向生长的LCMO薄膜。第四章主要是利用PLD法直接在单晶Si衬底上生长LBMO薄膜并进行磁电特性研究。首先,XRD图表明LBMO/Si为多晶薄膜,并沿(00l)方向取向增强。研究发现LBMO/Si薄膜在高温区的输运特性可以用小极化子变程跃迁模型来解释,低温输运曲线的“上翘”具有半导体热激活输运特性。薄膜具有低场磁电阻效应,整个温区的磁电阻值都大于17%。然后,研究了膜厚对LBMO/Si薄膜的影响,发现晶粒尺寸随膜厚的增加而增大,同时电阻率下降,TP增大,并将这一现象解释为多晶材料的晶粒间界效应。最后,研究了沉积温度对LBMO/Si薄膜的影响,发现晶粒尺寸随沉积温度的升高而增大,但电阻率、TP和磁电阻不具有相应的线性变化规律,利用载流子的高阶隧穿效应进行了初步解释。第五章主要研究CO2激光辐照对La-(Ba,Ca) -Mn-O薄膜的影响。首先,利用XRD,AFM,SQUID、PPMS和R-T测试系统对经激光辐照的、氧气中退火的和未经处理的LBMO薄膜样品进行了全面的对比分析研究。实验结果显示,激发辐照提高了薄膜的结晶性,改善了薄膜的微结构和氧含量,因此导致了薄膜的电阻率剧烈下降,TP和TC大大提高。尤其是,TCR在激光辐照后增大了2倍多,达到8.8%K-1(307K)。接着又研究了LCMO薄膜的激光辐照效应,实验结果与LBMO薄膜类似,从而验证了激光辐照可以用来快速而有效的调控和优化CMR锰氧化物的性能。最后,我们探索性地研究了辅助以激光辐照效应的低沉积温度薄膜生长的方法。研究发现,激光辐照可以减少和改善低沉积温度下制备的薄膜的结构缺陷和氧空位,从而提高薄膜的磁电性能。
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