脉冲激光沉积技术制备Ba<,2>FeMoO<,6>薄膜及电磁性质研究

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双钙钛矿氧化物Sr2FeMoO6被发现具有室温低场磁电阻效应,因而被视为最有可能在室温下使用的磁电阻材料,其磁电阻效应在大密度磁记录、传感器开关等领域的诱人前景及其物理上的深刻内涵成为当前材料学领域研究的热点。近年来由于薄膜技术的发展,使在较低温度下沉积高质量的外延或择优取向的薄膜成为可能。对于磁性材料的应用要求提出薄膜化、小型化和高集成度,在这种研究背景下,对磁电阻行为优异的双钙钛矿材料薄膜化就具有十分重要的研究意义和应用价值。双钙钛矿薄膜电磁性质是研究该材料的重要内容之一。由于制备技术和工艺的差别,尤其是制备薄膜所选取的衬底、薄膜制备的温度及薄膜厚度等条件影响,双钙钛矿的电磁性能表现出很大的差异。基于此认识,本论文采用脉冲激光技术在SrTiO3(100)和LaAlO3(100)(110)在不同温度下,制备了不同厚度的双钙钛矿Ba2FeMoO6薄膜,并且测量了薄膜的电磁性质,以期望研究得出Ba2FeMoO6薄膜合适的生长条件,同时发现衬底、生长温度和薄膜厚度,对电磁性质的影响,并对该影响进行解释。本论文的主要研究内容如下: 1、采用溶胶—凝胶法制备了Ba2FeMoO6材料的陶瓷靶材,通过X射线图样表明为单相的双钙钛矿结构;首次用脉冲激光沉积技术制备了双钙钛矿Ba2FeMoO6薄膜,在SrTiO3(100)和LaAlO3(100)(110)衬底上分别在700℃、800℃和900℃下生长了厚度为100nm的Ba2FeMoO6薄膜,X射线测试表明,Ba2FeMoO6薄膜基本沿衬底晶向取向生长,但是也有一定几率生长出Ba2FeMoO6的(222)衍射峰,原因可能是因为衬底和Ba2FeMoO6薄膜的晶格失配引起的。在不同衬底不同生长温度下,生长出的Ba2FeMoO6薄膜的衍射峰强度有明显变化,说明在沉积速率相同的情况下,温度对不同晶面的影响是不一样的;在800℃下,用脉冲激光沉积技术在SrTiO3(100)衬底上生长了100nm-250nm的Ba2FeMoO6薄膜,沿衬底晶向取向生长的Ba2FeMoO6(200)和(400)衍射峰逐渐增强,表明在相同温度相同衬底的条件下,随着薄膜的生长,系统的晶格匹配程度提高,较厚的薄膜质量较高。 2、通过原子力显微镜表征Ba2FeMoO6薄膜的表面形态,薄膜表面起伏比较大,原因是采用高真空镀膜影响了薄膜表面的平整度,在LaAlO3衬底上生长的Ba2FeMoO6薄膜出现条纹型空洞,表明在该衬底上生长Ba2FeMoO6薄膜的过程中,岛屿模式生长比较严重,表面平整度低于在SrTiO3衬底上面生长的Ba2FeMoO6薄膜。 3、测量所制备的Ba2FeMoO6薄膜的M—H曲线,通过计算得到每分子饱和磁矩,在相同衬底不同温度下生长的同厚度Ba2FeMoO6薄膜,其饱和磁矩伴随温度的升高而增大,原因可能是在高温下Ba2FeMoO6薄膜形成了较少的反位缺陷,反位缺陷的减少使薄膜的饱和磁矩增大;在相同衬底相同温度下,Ba2FeMoO6薄膜的饱和磁矩伴随温度的升高而下降,根据薄膜的表面形态观察,薄膜生长不均匀,伴随薄膜厚度的增加,表面应力逐渐增大,使其饱和磁矩下降;在相同温度,不同衬底,不同晶向生长的相同厚度的Ba2FeMoO6薄膜,其饱和磁矩的变化是,在SrTiO3(100)衬底上生长的大于在LaAlO3(100)上生长的大于在LaAlO3(110),推测原因是,在衬底形成的反位缺陷,SrTiO3(100)大于LaAlO3(100)大于LaAlO3(110)。但是该推测仍需进一步实验验证。 测量了各薄膜材料的电阻率,在不同衬底上生长的Ba2FeMoO6薄膜的电阻率变化很大,靶材电阻率表明,块状Ba2FeMoO6材料为金属性,生长出的薄膜电性质出现变化,并非完全表现为金属性。Ba2FeMoO6中费米能级处于3d自旋向上和自旋向下的分裂状态,这导致了Ba2FeMoO6的铁磁性和金属性,4d能级没有被占据,在Fe离子自旋之间双倍的反铁磁性导致了绝缘性质,让Mo占据4d状态绝缘性质就消失了,表现为金属性。
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