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全钙钛矿结构磁性隧道结的制备与性能研究

杜永胜  
【摘要】:本文结合磁性隧道结(FM/I/FM,其中FM 为铁磁层,I 为中间绝缘层)高的低场隧穿磁电阻效应和掺杂稀土锰氧化物Re_(1-x)T_xMnO_3(Re=La、Pr 等稀土元素,T=Ca、Sr、Ba 等两价金属元素)大的自旋极化率,采用磁控溅射方法制备出全La_(1-x)SrxMnO_3 钙钛矿结构的磁性隧道结。高分辨透射电镜测试结果表明各层薄膜在衬底上完全外延生长;电子全息术得到的中间绝缘层厚度约为5nm;在4.2K和外加磁场12T 的测试条件下,观测到9050%的隧穿磁电阻,超过了现有报导中最好水平的5 倍多。首次从实验上证实了铁磁层La_(0.7)Sr_(0.3)MnO_3(LSMO)的自旋极化率(99%)接近100%,与采用能带理论计算和自旋分辨光电子谱测试的结果相符合。其意义在于从实验数据确证了理论预言,同时也为全钙钛矿结构磁性隧道结的基础研究与实际应用开拓了新的方向。 本工作首先对铁磁层LSMO 薄膜进行了深入细致的研究。采用磁控溅射方法,在(100)、(110)和(111)LaAlO_3衬底上制备得到了外延生长的LSMO 薄膜并对其结构及磁电学性能进行了分析比较。结果表明,(111)生长方向的LSMO 薄膜晶格畸变程度最低,磁畴方向能较好的保持一致性,从而具有最高的磁饱和强度和最小的电阻值。由此进一步深化了对LSMO 结构与性能关系的认识。 为了提高LSMO 薄膜的磁电学性能,本文研究了氧气氛下不同退火方式及退火温度对LSMO 薄膜结构及性能的影响。随着薄膜氧含量的增加,其饱和磁化强度及居里温度都有明显提高,而矫顽力则有所降低。此外,采用原位氧气氛退火的方法,在不影响LSMO 薄膜表面粗糙度的前提下,改善了其磁学性能。 在以上研究的基础上,利用磁控溅射和原位退火方法,在10mm×10mm 的(100)SrTiO3 单晶衬底上制备出三明治结构为LSMO/La_(0.96)Sr_(0.04)MnO_3/LSMO 的外延三层膜,继续沉积反铁磁钉扎层Ir_(22)Mn_(78)/Ni_(79)Fe_(21),经多次刻蚀过程成功制备了结面积为8×4μm~2的磁性隧道结。研究了中间绝缘层厚度、界面状况及反铁磁层钉扎对隧穿磁电阻的影响。结果表明:高质量的中间绝缘层和各层间良好的晶格匹配是产生9050%的巨大隧穿磁电阻的关键。


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