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本论文利用磁控溅射法制备了钙钛矿锰氧化物(La1-xSrxMnO3,La1-xCaxMnO3)基异质p-n结,并主要研究其电学、磁学性能。主要工作包含以下几个部分:1.利用磁控溅射法制备了膜厚分别为5、15、80nm的La0.8Sr0.2MnO3/SrNb0.01Ti0.99O3(LSMO1/SNTO)和80nm的La0.96Sr0.04MnO3(LSMO2)/SNTO异质p-n结,主要研究了磁场对这些异质结I-V特性的影响以及相应的磁致电阻(MR)效应。这些异质结都表现出良好的整流特性,并且其整流特性能受到外加磁场的调控。(a)膜厚分别为5、15、80nm的LSMO1/SNTO异质p-n结的I-V特性曲线明显受磁场的影响,且对于不同膜厚样品,磁场的影响是不一致的。相对应地,不同膜厚LSMO1/SNTO异质p-n结中磁阻电阻效应也是不同的:在LSMO1(5nm)/SNTO异质结中只出现正MR;在LSMO1(15nm)/SNTO异质结中正、负MR都存在;而在LSMO1(80nm)/SNTO异质结中只出现负的MR。特别值得指出的是在LSMO1(5nm)/SNTO异质结中测得了高达1900％的正MR,这在同类型异质结中还没有报道过。(b)不同Sr含量的LSMO1/SNTO和LSMO2/SNTO异质结中表现出不同性质:LSMO1/SNTO的结电阻温度曲线在200K附近发生金属-绝缘体转变。而在LSMO2/SNTO异质结中,结电阻温度曲线存在两个温度转变点170K和100K,表现为绝缘态→金属态→绝缘态转变过程。此外,LSMO1/SNTO异质结中只测量到负MR,而在LSMO2/SNTO异质结中可以看到,正向偏压下,MR随温度升高从负值慢慢转变到正值;反向偏压下,MR随温度升高从正值慢慢转变为负值。
2.为了综合利用La1-xSrxMnO3和ZnO、SnO2等的优良性能,制备了STO/LSMO1/ZnO、Al2O3/SnO2/La0.9Sr0.1MnO3(LSMO3)和STO/LSMO3/SnO2异质结。(a)利用磁控溅射法成功制备了ZnO膜厚分别为20、140、200nm的STO/LSMO1/ZnO异质结,这些异质结都具有良好的整流特性。对LSMO1/ZnO异质结的结电阻-温度曲线研究发现,随ZnO膜厚增加,结电阻RJ减小,金属-绝缘体转变温度TMI升高。值得注意的是,LSMO1/ZnO异质结的TMI比单层LSMO1薄膜小很多,这应该是由于LSMO1/ZnO界面处Zn的扩散和沉积ZnO过程中LSMO1薄膜中氧的流失造成的。此外,LSMO1薄膜中压应力也会引起TMI的减小。在LSMO1/ZnO的结电阻-温度曲线低温部分发现有类似金属-绝缘体转变的现象出现,这在LSMO1单层膜中没有测量到。这应该有两个可能的原因:首先,可能与LSMO1薄膜中的应力引起的电荷有序有关;其次,ZnO是宽带隙的半导体,转变也可能由ZnO的半导体特性引起的。此外,我们对LSMO1/ZnO异质结的磁致电阻效应研究发现,三个样品中MR的最大值都超过了-90％,并且MR效应在常温下仍然存在。(b)为了制备Al2O3/SnO2/LSMO3和STO/LSMO3/SnO2异质结构,先对SnO2薄膜制备工艺进行了摸索,得到了四方结构的SnO2薄膜,并使其具有n型导电性。Al2O3/SnO2/LSMO3和STO/LSMO3/SnO2异质结的电学测试发现,都为线性的I-V特性,而不具有类似p-n结的整流特性,这应该是由于LSMO3和SnO2界面处严重的扩散造成的。
3.利用磁控溅射制备了基于La1-xCaxMnO3的异质结构,研究了其电学性质。主要结果如下:(a)在SNTO衬底上制备了厚度为10、30、100nm的La0.7Ca0.3MnO3薄膜以及厚度为100nm的La0.25Ca0.75MnO3和La0.1Ca0.9MnO3薄膜。XRD分析发现,各薄膜层都是沿衬底外延生长的。(b)对不同成分的La1-xCaxMnO3(x=0.3,0.75,0.9)/SNTO异质结的变温曲线的研究发现,异质结中电流传输在小正向偏压下为隧穿模式,较大正向偏压下为热激发模式。(c)制备的La1-xCaxMnO3同质结都表现出线性的I-V特性,这应该是同质结界面严重的互扩散引起的。