钴氧化物外延薄膜的微结构与宏观磁性的关系研究

发布时间：2020-09-28 21:05

　　低维功能材料具有复杂的微观结构和新奇的物理特性,深入研究其微结构与物理性能的关系对调控功能材料的物性和构造新型微纳器件具有重要的意义。本论文主要运用透射电子显微学分析手段,常规物性表征手段及第一性原理计算,系统地研究了钴氧化物外延薄膜材料的微结构与其宏观磁性的本质关联,并通过改变温度,施加应力,阳离子掺杂,电子束辐照,引入界面等一种或多种方式相结合调控系列钴氧化物外延薄膜材料中磁性离子的自旋态以及薄膜的磁性;此外,还研究了透射电子显微镜中电子束辐照对低维材料的影响。主要的研究内容概括如下:1、研究了在不同应变作用下La1-x Srx CoO3(0≤x≤0.1)外延薄膜随Sr掺杂量改变的磁性变化与薄膜微结构的内在联系。结果显示,随着Sr掺杂量的增加,在La1-x Srx Co O3薄膜的高角环形暗场像(HAADF)中观察到的斑马线状暗条纹的数量与薄膜磁性大小的变化趋势一致。结合HAADF图像模拟和电子能量损失谱(EELS),发现在暗条纹处Co-O键长的拉长有利于Co3+高自旋态的稳定。La Co O3薄膜中暗条纹处高自旋Co3+离子的有序排列是其磁性的起源。微量Sr离子的掺杂,改变了薄膜的局部应力,薄膜中暗条纹数量减少,高自旋态Co3+离子的数量减少,因而影响了薄膜中超交换作用情况,从而改变薄膜磁性。2、研究了拉应力作用下的La0.9Ca0.1Co O3薄膜的磁性与微观结构的关系。研究发现,Ca离子的掺杂后,La Co O3薄膜材料中的周期性排列的暗条纹消失,La0.9Ca0.1Co O3薄膜的HAADF图像表现出均一的钙钛矿结构,薄膜材料的磁性由0.8μB/Co显著降低为0.2μB/Co。第一性原理计算结果显示,Ca2+离子的掺杂,减少了高自旋Co3+离子的数量,抑制了高自旋Co3+的周期性排列,减弱了超交换作用,从而减弱了薄膜的磁性。3、第一次通过电子束辐照成功调控了不同生长厚度的La0.9Ca0.1Co O3薄膜材料的磁性,并利用透射电子显微镜中的电子束作为辐照源进一步原位实时地研究了薄膜微结构的演化行为,揭示了辐照调控磁性的内在机理。研究发现,通过控制电镜中电子束辐照剂量可以精确地控制暗条纹的产生与数量,从而调控薄膜磁性。电子束辐照引起薄膜晶格膨胀,暗条纹处缺氧,有利于低自旋Co3+离子转变为高自旋Co2+和中自旋Co3+。高自旋Co2+和中自旋Co3+的双交换作用增加使得薄膜磁性增大。薄膜材料微结构与磁性起源的研究,材料磁性离子自旋态的人工调控,对实现自旋电子学器件的构造与实际应用具有重要的作用。4、探究了不同应力作用下La Co O3-Sr Ti O3多层膜中Sr Ti O3插层对薄膜微结构与磁性的影响。研究发现,多层膜中Sr Ti O3插层一方面可以保持和延续对La Co O3的应力,有利于超薄La Co O3膜中形成周期性的暗条纹,暗条纹处高自旋Co3+的有序排列增大多层膜的磁性;另一方面,由于Sr Ti O3与La Co O3界面处的元素的互扩散,存在3个单胞左右的障壁层,高自旋的Co离子在障壁层中转化为低自旋Co离子,障壁层的存在减小了薄膜磁性。5、在多层膜的体系中,我们研究发现La Al O3衬底上的La Co O3单层膜中只有少量平行于界面的暗条纹,磁性很弱;而La Co O3-Sr Ti O3多层膜中出现垂直于界面的暗条纹,磁性明显增大。其原因是:多层膜中La Al O3衬底与Sr Ti O3插层的巨大晶格失配通过在第一层La Co O3薄膜内形成新的超结构得以迅速释放,导致该多层膜中La Co O3的晶格常数受Sr Ti O3的影响更大。超晶格多层膜中衬底与各层薄膜的晶格能量之间互相竞争,因此多层膜中的薄膜厚度也会影响材料的微结构与磁性。6、利用透射电子显微镜原位观察电子束辐照下一维金锡合金纳米线的晶体结构以及化学元素的变化,从而研究透射电镜中电子束辐照对低维材料的影响。结果发现,在电子束辐照下一维金锡合金纳米线由线状熔化回流成小球状,由金锡的金属间化合物的混合相转变为Au5Sn单一相。在透射电镜下从宏观到微观上对金锡合金纳米线在电子束辐照下的相变机理的研究,为该材料在纳米尺度的焊接中的应用奠定了理论基础。
【学位单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：O484
【部分图文】：

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【参考文献】