几种钙钛矿氧化物薄膜、超晶格的电、磁性质研究

发布时间：2020-07-07 14:35

【摘要】：钙钛矿氧化物是非常庞大的材料体系,不仅具有丰富的物理性质,例如铁电性、铁磁性、热释电、超导、催化等,而且在自旋电子器件、信息存储等领域具有广阔的应用前景,因而一直以来都是材料科学和凝聚态物理等领域的研究热点。近三十年来,随着脉冲激光沉积(Plused Laser Deposition,PLD)、分子束外延(Molecular Beam Epitaxy,MBE)等薄膜制备技术的迅速发展,钙钦矿氧化物薄膜中由于晶格、轨道、电荷、自旋等多种自由度之间相互竞争和耦合而导致了诸多新奇的物理现象,例如界面二维电子气、高温超导等,这进一步激发了人们对于钙钛矿氧化物薄膜的研究兴趣。基于此,本论文工作中制备了 Sr2CrWO6单层膜、SrRu03/CaRu03超晶格和LaMn03:Ni0纳米复合薄膜三种不同结构类型的薄膜,系统地研究了它们的晶体结构、电输运性质和磁性,主要内容如下:1、利用PLD技术制备了厚度为12nm、24nm和48nm的Sr2CrW06(SCWO)双钙钛矿氧化物薄膜。第一性原理计算表明,SCWO是一种半金属(half-metal)材料,具有较高的自旋极化率,总的自旋磁矩为2.0μB/f.u.。10K时的磁滞回线(M-H)表明高真空下制备的SCWO薄膜具有亚铁磁性,但饱和磁矩低于理论计算值,这是由于其中氧空位和反位缺陷的影响;电阻率-温度(ρ-T)曲线表明,SCWO具有可比拟金属材料的优异的金属性,其中,12nm的SCWO薄膜在2K和300K时的电阻率分别为4.9×10-11Ω·m和9.5×10-7Ω·m;同时,SCWO薄膜具有较高的载流子浓度和迁移率,其中,12 nm的SCWO薄膜在2 K和300 K时的载流子浓度和迁移率分别为2.25×1028m-3和56×104cm2·V-1·s-1;此外还发现SCWO薄膜在低温下表现出巨大的正磁电阻效应,12nm、24nm和48nm的SCWO薄膜在2 K、7 T下正磁电阻数值分别达到17200%、2060%、1185%。在排除一些可能的影响因素(例如氧空位等)之后,SCWO薄膜中巨大的正磁电阻效应可能来源于其中较高载流子浓度和迁移率,而外加磁场抑制了 SCWO薄膜中的长程反铁磁耦合,使其转变为短程的自旋无序的团簇,从而增强了电子散射,增大了电阻率,导致了巨大的正磁电阻效应。2、利用 PLD 技术制备了 6、10 和 15 个周期的 SrRu03/CaRuO3(SRO/CRO)超晶格,XRD和倒空间(RSM)沏试结果表明,超晶格薄膜是沿着c轴外延生长的。TEM测试结果表明,SRO/CRO超晶格具有层状的结构,且具有优异的外延性和相干的界面;面外零磁场冷却(ZFC)和加磁场冷却(FC)的磁化曲线表明,SRO/CRO超晶格在低温下表现出类自旋玻璃态的行为,同时,10K时的面外M-H回线呈现出“收腰”的现象,均来源于SRO/CRO超晶格中铁磁和反铁磁竞争,而反铁磁又来源于压应力作用下,CaRu03层中的Ru06八面体畸变;ρ-T曲线表征表明,SRO/CRO超晶格呈现出金属-半导体转变,低温下的导电机制来源于二维弱局域化效应。3、利用 PLD 技术制备了(1-x)LaMn03:xNiO(LMO:xNiO)薄膜,XRD 和 RSM测试结果表明,薄膜是LMO和NiO两相复合的;TEM测试结果表明,LMO和NiO形成了具有三维界面的0-3型纳米复合结构;M-H磁滞回线和ZFC-FC曲线表明,LMO:NiO纳米复合薄膜具有铁磁性,且随着NiO含量的增加而增强;而ρ-T曲线表明,LMO:NiO纳米复合薄膜具有优异的绝缘性,且随着NiO含量的增加而增强,因此,0.5LMO:0.5NiO纳米复合薄膜具有较好的铁磁绝缘性。同时,LMO:NiO纳米复合薄膜还表现出较强的交换偏置效应,这主要来源于LMO和NiO界面处的铁磁、反铁磁耦合效应。X射线吸收谱(XAS)测试和第一性原理计算证明了 LMO:NiO纳米复合薄膜中存在电荷转移现象,即电子由Mn离子转移至Ni离子。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.2
【图文】：

图１．１钙钛矿氧化物的晶体结构：⑷、理想的原子模型，（ｂ）、Ｂ０６八面体排列示意图

几种钙钛矿氧化物薄膜、超晶格的电、磁性质研究

图１．２钙钛矿结构中的Ｂ０６八面体可能的畸变：（ａ）、倾斜或（ｂ）、旋转［２２］

几种钙钛矿氧化物薄膜、超晶格的电、磁性质研究

图１．３邋ＢｉＦｅＣｂ薄膜在不用应力作用下的晶体结构［２７］

【参考文献】