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La_(0.8)Sr_(0.2)MnO_3外延薄膜及其异质结的结构与物性

杨昊  
【摘要】: 巨磁阻效应(Giant Magnetoresistance, GMR)自1990's被Albert Fert和Peter Grunberg发现以来,由于其在工业上具有广泛的重要应用,例如计算机硬盘、磁传感器、读取磁头、磁存储材料等等,有关它的研究已成为强关联电子自旋体系的热点之一,尤其是人们发现了具有GMR效应的钙钛矿结构锰氧化物,这种材料的GMR应用主要是基于薄膜的特性。这些锰氧化物表现出顺次-铁磁相变、绝缘体-金属相变、相分离以及电子、电荷、自旋有序的耦合等丰富的物理现象,对于基础研究有着重要意义;巨磁阻薄膜的研究和探索为磁自旋阀、磁隧道结及异质结的研制和应用提供了有效途径。 本论文系统研究了掺杂的La0.8Sr0.2MnO3(LSMO)多晶靶材及其外延薄膜的结构与电磁性能。详细研究了制备条件及厚度效应对外延薄膜的微结构、输运性和磁学性质的影响,介绍了多晶块材和薄膜的制备、结构表征及性能测试,重点介绍了X-射线衍射(X-ray diffraction, XRD)和脉冲激光沉积(Pulse laser deposition,PLD)。最后还制备了薄膜异质结La0.8Sr0.2MnO3/NSTO(LSMO/NSTO),并对其整流特性进行了分析和讨论。 本论文共分为四章,各章的主要内容概述如下: 第一章:介绍和概述了包括块材、外延薄膜、异质结等巨磁阻材料的物理性质、研究及应用状况。首先回顾了GMR的历史、应用价值及其产生的物理机制,对巨磁阻材料之一的钙钛矿锰氧化物的晶体结构、电学性质、磁结构和输运性进行了阐述。接着指出了同种材料所组成的薄膜与块材的不同性质。最后对钙钛矿锰氧化物异质结LSMO/NSTO的应用及性质做了介绍,展望了进一步的应用前景。 第二章:制备了不同厚度的La0.8Sr0.2MnO3外延薄膜,对块材和薄膜的表征手段及测试方法进行了介绍。首先回顾了块材和薄膜的的制备技术,重点介绍了PLD系统及镀膜步骤。接着对块材和薄膜的表征手段XRD、倒易空间图、扫描隧道显微镜和原子力显微镜等做了介绍。最后对测量薄膜电阻率和磁性的仪器做了简单说明。 第三章:讨论了掺杂含量、晶格失配对薄膜晶体的生长及微结构的影响,详细研究了厚度效应对薄膜的结构、输运性、磁性的影响。XRD结果表明掺杂含量和薄膜厚度对块材La1-xSrxMnO3微结构的影响不大,厚度不同的LSMO/STO薄膜都具有很高的外延性和结晶质量。电阻率的测量表明,随着薄膜厚度的增加,电阻率减小,而绝缘体-金属转变温度(Tp)增加,且随着薄膜厚度的增加,转变温度Tp趋于块材的转变温度。磁性测量表明外磁场平行于膜面时,磁化强度远大于垂直膜面时的磁化强度;磁化强度随膜厚的增加而减小。 第四章:首先回顾了锰氧化物异质结的发展历史、目前的研究情况及其巨大的应用价值。接着对La0.8Sr0.2MnO3/NSTO薄膜异质结的制备过程作了简要概述。最后讨论了厚度效应对薄膜异质结LSMO/NSTO整流特性的影响,得出结论LSMO越厚,异质结的整流特性越好。


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