镍酸镧基异质结的交换偏置与超导性质研究

发布时间：2020-04-25 08:36

【摘要】：钙钛矿稀土镍酸盐材料较难合成,一直是材料学家想要解决的难题。近年来随着材料制备技术的迅猛发展,在较大原子半径的La到Sm元素的镍酸盐中,可以实现高质量的薄膜制备。特别是在稀土镍酸盐家族中,镍酸镧(LaNiO_3)是唯一一个不随温度变化出现金属顺磁态到绝缘反铁磁态转变的材料。近年来,人们发现LaNiO_3(LNO)基异质结中,由于维度效应出现金属到绝缘态的相变,同时还伴随交换偏置等新奇的物理现象,使之成为镍酸盐领域的一个研究热点。但是,在该体系中仍然存在一些亟待解决的问题:(1)在LNO与锰氧化物组成的异质结中,交换偏置的取向依赖性以及产生机制尚不明确;(2)关于LNO薄膜中的反铁磁排序,目前未见实验上的直接证据;(3)在LNO基超晶格体系中,是否能在实验中观察到超导现象。这些问题的解决,对LNO基超晶格体系的电磁特性及机理,都能有较大的推动。本论文针对LNO基异质结体系中存在的问题,进行了详细的实验研究及机理探索,具体的研究内容与结果如下:(1)首先采用脉冲激光沉积技术,外延生长了(001)、(110)、(111)三种不同取向的LNO/LaMnO_3(LMO)超晶格样品,通过磁性表征技术发现交换偏置在不同取向上的样品中均可出现。同时,发现样品的交换偏置对LNO层的厚度有很强的依赖性,并且有一个明显的层厚临界值。当LNO层厚度大于临界值时,样品导电性好没有交换偏置,当厚度小于临界值时,样品变为绝缘出现交换偏置。进一步对(001)取向的LNO/LMO超晶格样品进行详细的研究,发现微观电子的电荷、轨道自由度的变化会影响样品宏观交换偏置的大小,从而揭示了前人未在(001)取向LNO/LMO超晶格中发现交换偏置的原因,提出了一种可控调节交换偏置的方法。(2)实验中制备了不同厚度的LNO(顺磁)/LSMO(铁磁)超晶格样品,经过交换偏置值大小变化的分析,给出该交换偏置耦合作用机制为:界面电荷转移诱导的铁磁序与薄层LNO中的反铁磁序,共同对铁磁层LSMO提供钉扎作用。为了更有效的证明LNO层中具有反铁磁性,本文在LNO/LSMO超晶格的每一个界面处插入非磁性STO层。将它作为隔离层阻挡LNO与LSMO接触,从而消除LNO与LSMO界面的电荷转移。实验发现LNO/STO/LSMO超晶格体系中依然存在长程交换耦合作用,证实了超薄LNO中确实有反铁磁序的存在,会对相邻的铁磁层进行钉扎,从而出现大的交换偏置。(3)为了证明LNO基异质结中的超导现象,实验中制备了高质量的LNO(2)/LSMO(3)超晶格样品,首先通过磁性测试得到了明显的迈斯纳抗磁效应,进一步测试样品低于超导转变温度下的磁滞回线,符合第二类超导体的特征。随后将超晶格样品经过氩离子束刻蚀、磁控溅射镀金电极处理,通过输运性质的测试得到了电阻随温度变化的零电阻效应。迈斯纳效应与零电阻效应的同时出现,在实验上证明我们首次在LNO/LSMO超晶格中观察到了超导现象。综上所述,本论文研究了LNO与锰氧化物异质结中交换偏置现象的取向依赖性与厚度依赖性,揭示了界面交换偏置现象的深层耦合机制,发现了LNO层中反铁磁序的存在,并且首次在实验上观察到LNO基超晶格体系中的超导现象。这些研究,将利于人们更好的理解LNO基超晶格中出现的新奇物理现象,同时激励人们进一步探索镍酸盐中蕴含的丰富物理内涵。
【图文】：

山西师范大学博士学位论文。通过对钙钛矿氧化物界面电磁输运的研究，可以掌握钙钛矿氧化物异质结的形，理解异质结界面新奇物理现象的内涵本质，，进而预测设计钙钛矿氧化物界面颖的性能。近几年，研究人员针对钙钛矿氧化物异质结界面的结构、物理现象层的物理机制已经进行了广泛的研究，在实验与理论方面都取得了许多突破性，完全展现出钙钛矿异质结界面的神奇物性。如图 1-1 所示，在钙钛矿氧化物异质结构中由于氧化物中的电荷、自旋、轨道、晶格四种自由度之间的相互耦争会导致异质界面处出现很多的新奇物理现象。

(a) ABO3典型钙钛矿氧化物的立方晶体结构；(b) 实际情况中钙钛矿镍酸盐的不同对称晶格结构。 块体材料的电、磁以及结构性质钛矿稀土镍酸盐的化学通式是 RNiO3，其中 R 位是稀土元素而 Ni 是一种属元素。该材料于 1971 年首次被合成但是直到 1991 年才被人们进行系统的初的目的是为了找寻类似于铜基家族材料的高温超导体系[73-75]。目前与其它属钙钛矿家族例如钛氧化物、锰氧化物、铁氧化物等相比，镍氧化物仍然受关注。这主要是因为在镍氧化物中 Ni3+离子比较稳定，要想合成较好的体系的温度与压强下才能实现，制备的条件相对其他材料比较苛刻。直到目前为止酸盐的块材单晶非常困难，其中最大的晶体仍然小于 100μR，因此一些初始究主要还是集中在多晶的粉末结构中。随着薄膜制备技术的提高，对于较大的 La 到 Sm 元素的镍酸盐是可以实现高质量的薄膜制备，而对于原子半径酸盐目前比较超前的薄膜制备技术仍不能实现。所以，目前镍酸盐晶体以及
【学位授予单位】：山西师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O614.331

【参考文献】

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1 李红红;王R

本文编号：2640030