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钙钛矿结构锰氧化物由于具有与自旋、电荷和轨道等多自由度相关的丰富物理现象而成为近年来凝聚态物理研究的热点。本论文研究了A型反铁磁相锰氧化物薄膜的磁、电性质以及磁场下载流子的行为,发现了磁场对于载流子浓度的调制作用,以及奇特的各向异性磁电阻现象。另一方面,由于锰氧化物异质结在人工结构材料和微电子学器件方面极具研究价值和应用潜力,本论文研究了界面处磁电死层的相关性质,以及界面势垒受到薄膜电荷有序相变的影响。最后,本论文研究了掺杂钛氧化物薄膜中载流子浓度和迁移率随氧含量的变化,为两种氧化物的复合结构制备和研究打下基础。以下是本文的主要结果:
1.系统研究了A型反铁磁结构Nd1-xSrxMnO3(NSMO)薄膜的磁性和输运性质。发现磁场可以强烈的影响磁有序结构,并诱导出反铁磁.铁磁转变,导致电阻率大幅下降；并根据磁场下的Tc与TN数值变化,得到了NSMO薄膜的H-T相图。分析了NSMO薄膜在反铁磁态各向异性的磁、电行为,这是由于A型反铁磁各向异性的磁结构引起的。磁场可以强烈影响A型反铁磁态,因此减弱了磁、电各向异性。
2.利用Hall效应研究了A型反铁磁结构中载流子的类型、浓度以及迁移率。发现NSMO中载流子类型为空穴；在铁磁态,载流子浓度不随磁场变化,而在反铁磁态,载流子浓度显示出强烈的磁场依赖特性。载流子浓度在反铁磁态下很低,由于磁场诱导出反铁磁.铁磁转变,载流子浓度随着外磁场的增大而显著上升。Hall迁移率随着磁场增加呈单调上升,磁场诱导的反铁磁.铁磁转变对迁移率并没有明显的影响,说明迁移率主要受磁散射过程影响。提出低温下铁磁与反铁磁相共存模型,载流子浓度由两相共同贡献。分析发现,由于发生反铁磁转变,造成的载流子浓度随温度近似e指数衰减。
3.系统的研究了NSMO薄膜的各向异性磁电阻效应,发现在[100]方向Г(θ)～θ曲线呈现二重对称性,而在[0-11]方向Г(θ)～θ曲线上二重和四重对称性共存,分析发现四重对称性是由于NSMO的反铁磁相导致的,二重和四重对称性共存可以用铁磁与反铁磁相共存模型解释。按照铁磁材料中各向异性磁电阻(AMR)的定义计算了NSMO的AMR值,发现NSMO中各向异性的磁结构导致不同的自旋依赖散射过程。[100]和[0-11]方向不同的AMR-T。曲线反映了NSMO存在面内各向异性的自旋-轨道耦合,磁场对于不同磁结构下的自旋-轨道耦合均有增强作用。
4.研究了生长在SrTiO3(STO)和SrTiO3:Nb(STON)两种衬底上的La0.67Ca0.33MNO3(LCMO)薄膜的界面性质。随着薄膜厚度的下降,电阻率变大,磁化强度变小,居里温度下降。对于LCMO/STO和LCMO/STON,磁电死层厚度分别为14.6±3.1 nm和6.5±0.6 nm,LCMO/STON上磁电死层厚度较小是因为在LCMO/STON界面处存在内建电场,改变了界面层的导电性质。外加磁场增强了Mn离子之间的双交换作用,因此可以降低磁电死层的厚度。
5.研究了(011)取向的电荷/轨道有序Bi0.4Ca0.4Sr0.2MnO3(BCSMO)/STON异质结输运行为,并通过电容-电压关系观察到由于BCSMO发生电荷有序相变而引起的异质结内建电势的改变。在Tco附近内建电势表现出的上升趋势表明BCSMO薄膜中的Fermi面下降,这是由于电荷有序相变导致Fermi面附近出现能隙,能隙随着相变开始出现并增大,在相变结束后近似达到饱和。
6.研究了La0.15Sr0.85TiO3(LSTO)薄膜的电阻率、载流子浓度和载流子迁移率随薄膜氧含量的变化。过量的氧会引起LSTO载流子浓度迅速降低；薄膜中的载流子浓度随着温度的升高而增大并逐渐趋于饱和,这可能源自于杂质能级对载流子的束缚作用。分析了不同生长气压的LSTO薄膜的输运机制。氧含量高的薄膜具有最大非弹性散射强度和最小的载流子浓度,其输运行为可以用反应电子-电子散射机制的T2关系描述；氧含量低的薄膜电子间非弹性散射强度降低,电子-声子散射成为主要的散射机制,其输运行为可以用小极化子相干传导模犁来描述。