La1-xCaxMnO3外延膜中的对称性失配与相分离现象

来源 :中国科学技术大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:majing1619
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强关联体系中各种自由度(如电荷,电子自旋,晶格声子以及轨道序等等)之间的耦合作用一直是凝聚态物理研究的热点之一。它不仅能让我们更好地了解物质间内在的相互作用,而且对于设计新型功能材料也有着很重大的意义。近年来,随着外延单晶薄膜制备工艺的成熟,许多基于声子-电子耦合作用的有趣现象也随之被人们发现。比如铁电、铁磁、超导等有序化相变点在外延薄膜中能够被显著的提高;对同一化学组分的材料,其薄膜的低温基态可以人为的选取;多铁性耦合能够通过外延多层膜的弹性传递而得以加强等等。而同时,由于钙钛矿结构的外延性出众,其全氧化物薄膜器件很大程度上能够解决晶系匹配以及界面的问题,能够得到性能优异的器件,所以基于钙钛矿结构的材料的研究有着重大的意义。本论文着眼于钙钛矿结构的庞磁阻(CMR)材料锰氧化物(La, Ca)MnO3,利用其强的声子-电子耦合作用,一方面通过衬底的应力状态来控制其外延薄膜的低温电磁性质,另一方面借此研究在强关联体系中弹性应力与相不均匀性的关系。并且,在论文的最后对基于(La, Ca)MnO3材料的多层外延薄膜器件的研究作出展望。本论文总共分七章。第一章作为论文的开篇绪论,我们主要介绍了功能氧化物薄膜应力调控以及锰氧化物的研究现状。首先我们简单综述了近期在应力调制下功能氧化物外延薄膜所表现出来的新奇特性,证实了这种通过应力控制薄膜性能的现象是普遍存在的;接着回顾了锰氧化物的相关研究,在前期研究的积累上我们提出了利用应力状态,包括应力场的大小以及对称性,能够对具有强关联体系特点的锰氧化物薄膜进行细致的性能调控,并介绍了本文的立意与创新点。第二章这一章节中,我们详细地介绍了实验中所使用的制备手段以及测量技术。其中包括脉冲激光沉积技术(PLD),X射线衍射技术(XRD),倒易空间测量技术(RSM),原子力显微(AFM)以及低温测量系统(SQUID和PPMS)等等。第三章对于块材基态是铁磁金属相的La1-xCaxMnO3 (0.3 < x < 0.45)材料来说,其外延薄膜样品La1-xCaxMnO3/NGO(001)表现出铁磁金属相和反铁磁绝缘相共存的相分离现象,并且其中的反铁磁绝缘相能够被退火温度、薄膜厚度以及Ca的掺杂量所控制,表现出具有应用前景的低场磁阻。第四章选取La0.67Ca0.33MnO3(LCMO)组分的薄膜,我们通过对比实验发现在具有各向同性应力场的衬底LSAT(001)以及NGO(110)上,LCMO薄膜保持了其块材的铁磁金属基态;而在具有各向异性应力场的NGO(001)和NGO(100)上,经过后退火处理的薄膜表现出相分离现象。同时,通过RSM的结构研究,我们发现对于铁磁基态的LCMO/LSAT(001)和LCMO/NGO(110)薄膜,其晶体结构保持了块材的高对称性;而对于反铁磁绝缘相的LCMO/NGO(001)和LCMO/NGO(100)薄膜,其晶体结构畸变为NGO衬底的低对称性结构,证明了在外延薄膜中各向异性应力对于反铁磁绝缘相的形成起到至关重要的作用。第五章针对LCMO/NGO(001)的一系列样品,我们系统地研究了这类由应力场对称性诱导的相分离现象的动力学特征。首先,在薄膜中铁磁金属相与反铁磁绝缘相相互竞争,在动态相分离相区不仅引起了overshot的热滞现象以及多重金属绝缘相变,而且在电阻-时间的测量中表现出很强的弛豫行为。其次,对于同一样品同一温度下不同相比例的相分离或相共存状态,其反铁磁绝缘相的熔化场是保持一定的。我们认为在由应力诱导的相分离体系中,熔化场被体系的应力状态所决定,表现出与其他相分离体系的不同之处。第六章通过不同磁热过程下磁电输运性质的测量,我们可以得到一系列LCMO/NGO(001)外延薄膜的相图。一般来说,样品从室温降至低温,可以经历顺磁绝缘相,铁磁金属相,反铁磁绝缘相主导的动态相分离区域,铁磁金属相主导的动态相分离区域以及冻结相分离区域。其中,动态相分离的两个相区是与其他非应力诱导的相分离体系不同之处,而应力状态对于对于冻结相分离相似乎影响不大。第七章我们从物理理解和器件应用两个方面,对基于LCMO外延体系的研究作出了展望。其中包括了外延薄膜的物理性能各向异性,微观实空间研究,高温后退火机制的研究以及多层功能薄膜器件的探索,证明其具有重要的研究意义和应用前景。
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