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锰氧化物、金属多层结构的输运特性研究

2020-11-23阅读(807)

锰氧化物、金属多层结构的输运特性研究

论文摘要

自从上世纪80年代末Baibich在Fe／Cr多层膜中观察到巨磁电阻效应以来，由于其潜在的应用前景而成为凝聚态物理学和材料学研究的热点之一；随后，人们在铁磁隧道结中也发现了自旋相关引起较大的磁电阻效应，而1993年在掺杂稀土钙钛矿锰氧化物中发现的特大磁电阻效应（CMR）更是提高了人们的研究兴趣，由于这类氧化物属于强关联体系，有着不同的电、磁输运特性，并且具有光诱导绝缘体-金属相变、电荷有序、轨道有序以及相分离等十分丰富的物理内涵，成为物理学界和材料学界最活跃的研究领域之一。本文在制备锰氧化物外延薄膜、锰氧化物／铁磁金属（LSMO／FM）和铁磁金属／锰氧化物／铁磁金属（FM／LSMO／FM）多层结构的基础上，探索了锰氧化物薄膜及所形成结构的输运特性和外场响应特性，其主要研究内容如下：1．采用溶胶凝胶的方法制备了La1-xSrxMnO3（x=0．015，0．5和0．3）系列靶材，X射线衍射分析表明所制备的靶材具有钙钛矿结构。2．采用磁控溅射的方法制备了锰氧化物单晶外延薄膜，其低温输运特性表明随着温度的升高样品展示了典型的金属-半导体相变。样品对磁场和激光作用表现出相似的响应特性，磁场的作用使Mn3+和Mn4+离子自旋方向趋于一致，双交换作得到加强，有利于eg巡游电子的跃迁，从而引起电阻减小；而激光辐照，在铁磁金属相引起光致退磁效应，诱导电阻增大，在顺磁半导体相，则激发载流子的运动而使电阻减小。0．5T的磁场作用下，x=0．015的样品在243K时取得的极大磁电阻值为21％。对于x=0．5样品，在360K时光致电阻相对变化取得极大值为9．62％。3．首次采用溶胶凝胶的方法在金属Co基片上制备了LSMO（x=0.2）薄膜异质结构。低温输运特性表明面内呈现出半导体输运特性，随着温度的增加，其电阻从16．8MΩ改变到10．6KΩ，其变化之巨可达3个数量级，伏安特性表明其输运主要是准粒子的隧道过程；界面也呈现出半导体输运特性，伏安关系表明在界面形成了肖脱基势垒。4．采用磁控溅射的方法首次在Si（100）基片上制备了La1-xSrxMnO3／Fe（x=0．015，0．5和0．3）异质结构。x=0．015样品，面内输运表现出金属-半导体转变，而对于x=0．5和0．3的样品，无论是面内还是面间均呈现出半导体的输运特性。由于底层Fe金属的强氧化性，导致锰氧化物处于缺氧和无序状态，从而形成了非晶体态能带结构，载流子在定域态之间跳跃或在扩展态的激发过程中产生半导体输运特性，这一特性也在其伏安关系中得到证实。同时在这一系列异质结构中首次观察到了瞬间光电导效应，LSMO的缺氧产生高度的无序性，使处于带尾的波函数局域化，光子的注入产生了电子空穴对，同时增加了载流子的浓度，可以移动费米面越过迁移率边而引起电导巨大的变化，对于x=0．3的样品，光致电阻变化的相对极大值在220K的温度点达到了7500％，而对于x=0．015样品在292K时，其光致电阻变化的相对值为2400％。5．提出在Si（100）基片制备Fe／La1-xSrxMnO3／Fe（x=0．015，0．5和0．3）三层结构，并测试了其低温输运特性，表明垂直面内电阻随着温度的升高而呈现线性增加，具有金属态导电特性。在50mT平行薄膜表面磁场的作用下，在所制备的三层结构中首次观察到正负磁电阻效应，分析表明其主要源于中间层锰氧化物的铁磁-顺磁相变。

论文目录

  • 摘要
  • 英文摘要
  • 第一章 绪论
  • 1.1 论文的研究意义
  • 1.2 本文提出和研究内容及课题来源
  • 参考文献
  • 第二章 文献综述
  • 第一节 磁电阻效应的分类、特点及性能
  • 1.1 正常磁电阻（OMR）效应
  • 1.2 各向异性磁电阻（AMR）效应
  • 1.3 多层膜磁电阻（GMR）效应
  • 1.4 自旋阀磁电阻效应
  • 1.5 隧道磁电阻效应
  • 1.6 颗粒系统磁电阻效应
  • 1.7 各类磁电阻的性能比较
  • 第二节 钙钛矿锰氧化物的物理性质
  • 2.1 钙钛矿锰氧化物研究的发展
  • 2.2 钙钛矿锰氧化物的结构
  • 2.3 钙钛矿锰氧化物特大磁电阻效应的物理机制
  • 2.4 钙钛矿锰氧化物的光诱导特性
  • 第三节 基于锰氧化物的多层膜结构
  • 第四节 非晶态锰氧化物的物理性能
  • 本章小结
  • 参考文献
  • 第三章 基本的实验方法和测试原理
  • 第一节 钙钛矿块体的制备方法
  • 1.1 固相反应法
  • 1.2 悬浮区熔法（float-zone method）
  • 1.3 溶胶-凝胶法
  • 第二节 薄膜制备方法
  • 2.1 薄膜的制备原理
  • 2.2 脉冲激光沉积法（PLD）
  • 2.3 磁控溅射法镀膜
  • 2.4 溶胶凝胶法
  • 2.5 基片预处理
  • 第三节 薄膜厚度的测量
  • 3.1 椭偏仪测量薄膜的厚度
  • 3.2 台阶仪测量厚度
  • 第四节 样品结构分析
  • 第五节 样品成份分析
  • 第六节 样品表面形貌分析
  • 第七节 样品低温输运特性测试
  • 本章小结
  • 参考文献
  • 第四章 材料制备及表征
  • 第一节 溶胶凝胶法样品制备尝试
  • 1.1 样品的预制
  • 1.2 物相分析
  • 1.3 实验结果分析
  • 第二节 靶材的制备
  • 第三节 靶材结构分析
  • 本章小结
  • 第五章 LSMO薄膜的制备及输运特性研究
  • 第一节 LSMO薄膜的制备及分析
  • 1.1 薄膜的制备
  • 0.5Sr0.5MnO3薄膜的厚度测量'>1.2 La0.5Sr0.5MnO3薄膜的厚度测量
  • 1.3 薄膜结构分析
  • 第二节 LSMO薄膜输运特性研究
  • 0.85Sr0.015MnO3薄膜的输运特性研究'>2.1 La0.85Sr0.015MnO3薄膜的输运特性研究
  • 0.5Sr0.5MnO3薄膜的输运特性研究'>2.2 La0.5Sr0.5MnO3薄膜的输运特性研究
  • 0.7Sr0.3MnO3薄膜的输运特性研究'>2.3 La0.7Sr0.3MnO3薄膜的输运特性研究
  • 第三节 磁场和激光对锰氧化物薄膜的影响
  • 本章小结
  • 参考文献
  • 第六章 LSMO/FM样品制备及低温输运特性研究
  • 第一节 溶胶凝胶方法LSMO/FM双层膜的制备和表征
  • 1.1 溶胶凝胶方法薄膜的制备
  • 1.2 结构分析
  • 1.3 厚度测试
  • 第二节 磁控溅射方法制备LSMO/FM双层膜及表征
  • 2.1 掩模的制作
  • 2.2 薄膜制备
  • 2.3 薄膜厚度测试
  • 2.4 结构分析
  • 2.5 能谱成份分析
  • 0.8Sr0.2MnO3/Co样品的输运特性'>第三节 La0.8Sr0.2MnO3/Co样品的输运特性
  • 3.1 电极和引线设计
  • 3.2 样品低温输运特性测试
  • 0.85Sr0.015MnO3/Fe样品的输运特性'>第四节 La0.85Sr0.015MnO3/Fe样品的输运特性
  • 4.1 样品电极设计
  • 4.2 样品面内（CIP）输运特性分析
  • 4.3 样品面间（CPP）输运特性分析
  • 0.5Sr0.5MnO3/Fe样品的输运特性'>第五节 La0.5Sr0.5MnO3/Fe样品的输运特性
  • 5.1 面内输运特性
  • 5.2 面间输运特性
  • 0.7Sr0.3MnO3/Fe样品的输运特性'>第六节 La0.7Sr0.3MnO3/Fe样品的输运特性
  • 6.1 面内输运特性
  • 6.2 面间输运特性
  • 本章小结
  • 参考文献
  • 第七章 FM/LSMO/FM三层结构制备及输运特性探讨
  • 第一节 FM/LSMO/FM三层结构的制备
  • 1.1 掩模的制作
  • 1.2 样品制备
  • 1.3 样品的制备流程及参数
  • 第二节 三层结构的表征与分析
  • 2.1 结构分析
  • 2.2 成份分析
  • 2.3 表面形貌分析
  • 第三节 三层结构的低温输运特性探讨
  • 本章小结
  • 参考文献
  • 第八章 结论
  • 致谢
  • 攻读博士期间发表的论文和成果

    • 相关论文文献

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