La0.7Sr0.3MnO3的死层调控

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关联性氧化物丰富界面效应和体效应使得他们被认为是替代硅的下一代半导体器件的新材料。由于多种自由度的相互作用,许多新奇的现象出现在这些氧化物薄膜或者异质结界面中,如Sr Ru O3块材的拓扑霍尔效应,La0.7Sr0.3Mn O3的室温铁磁,KTa O3/Sr Ti O3界面的高迁移率二维电子气。但是在关联性氧化物中存在一个问题,那就是在薄膜的层数低于某个厚度时材料失去其原有的特性。这样的薄层通常被称为死层。死层的存在对器件的小型化有着极为不利的影响。所以,深入了解死层背后的本质机理对微型电子器件的发展具有重要意义。对死层的研究自从其被发现便开始了,但是尽管进行了广泛的研究,这种由厚度驱动的死层效应背后的机制仍然很复杂。对于最具有代表意义的La0.7Sr0.3Mn O3薄膜,主流观点认为,它的死层效应是由四种机制引起的:晶格失配引起的轨道重建、氧八面体旋转、极性不连续和结构缺陷。在这四种原因中,轨道重构对薄膜死层效应的影响是最大的。这是因为晶格失配导致了外延应力的增加,抑制了整体交换作用,使薄膜体系更倾向于形成反铁磁绝缘体以保证能量最低。例如,La Al O3与La0.7Sr0.3Mn O3的晶格失配高达2.5%而Sr Ti O3与La0.7Sr0.3Mn O3的晶格失配只有0.6%,所以La0.7Sr0.3Mn O3在La Al O3衬底上生长的死层厚度比Sr Ti O3衬底上大200%。从本质上了解外延应力对死层的影响并由此调控应力并降低死层厚度对器件的微型化有着重要的意义。在本文中我们通过脉冲激光沉积制备了高质量的锰氧化物薄膜,并通过插入缓冲层的方式研究了应力对薄膜性质的影响,薄膜随着厚度的相变以及对薄膜进行了磁性调控,主要工作如下:(1)通过在La0.7Sr0.3Mn O3与La Al O3衬底之间插入一层Sr3Al2O6缓冲层,我们实现了对La0.7Sr0.3Mn O3所受应力从压应力到拉应力的调控。随着应力从压应力减小到无应力,我们观察到薄膜的磁性和金属性在逐渐增加。然而随着应力从无应力逐渐增加为拉应力,薄膜的磁性开始减小到最后消失。当Sr3Al2O6为6个晶胞厚度(uc)时,薄膜表现出最好的磁性能与输运性能。X射线倒易空间图(RSM)说明了缓冲层使得晶格应力被释放了。通过缓冲层技术,我们使得La0.7Sr0.3Mn O3的电学死层厚度从27uc降低到了12uc,磁性死层从10uc降低到了3uc。同时,利用Sr3Al2O6可水解的特性,我们成功的转移了自支撑的La0.7Sr0.3Mn O3转移到硅衬底上,无应力的薄膜即使在4uc这种极低的厚度也显示出了良好的性质。我们通过实验验证了外延应力会使得薄膜的性质恶化并展示了一种调控和消除应力的方法,这种方法可以广泛用于调节其他的薄膜所受的应力。(2)La0.7Sr0.3Mn O3在磁性死层以下是反铁磁绝缘相,在电学死层以上是铁磁金属相,中间态则为铁磁反铁磁混合,为了研究薄膜在厚度变化的过程中磁相的行为,我们研究了La0.7Sr0.3Mn O3的厚度依赖的R-T曲线,通过分析曲线中金属绝缘体转变点来确定薄膜的磁相,居里温度等物理量,对于不同磁相的镧锶锰氧薄膜,我们对其进行了磁场调控,我们发现外加磁场能够提高薄膜的居里温度,同时增加薄膜的金属性。对于铁磁反铁磁相混合的La0.7Sr0.3Mn O3,其R-T曲线在低温下由于近藤效应出现很明显非金属性行为,我们认为这是由于反铁磁相相对铁磁相电子的散射作用,通过外加磁场抑制反铁磁相对电子的散射作用,我们成功的抑制了近藤效应,使得薄膜在低温段没有非金属性行为,我们总结了La0.7Sr0.3Mn O3的相图并给出了薄膜磁相随厚度变化的一般规律。
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