钙钛矿型氧化物异质结的制备与磁、电各向异性的调控

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钙钛矿型氧化物材料中存在着复杂的序参量相互作用,且对外界调控的响应非常灵敏,从而显示出丰富的物理特性,其结构简单、稳定,耐高温,抗氧化能力强,且性能突出,是一类具有广阔应用前景的新型功能材料。为了增强单相钙钛矿氧化物的性能,目前许多研究都在关注将不同类型钙钛矿或钙钛矿与其他类型材料复合在一起,形成新颖的各类异质结结构。在这些新颖的结构中,各类序参量的耦合为人工控制提供了可能,也推进了凝聚态理论的不断更新。本文首先研究了正交基板和低对称立方基板上,单层外延钙钛矿La0.67Sr0.33MnO3(LSMO)薄膜的晶格结构,磁、电各向异性行为,并讨论了各向异性的来源。根据理论预言,钙钛矿材料界面存在铁弹应变耦合的可能性,我们尝试利用有序的BiFeO3畴结构,从微结构角度对LSMO中的各向异性磁、电行为进行调控。具体内容可分为以下几个部分:  1.利用脉冲激光沉积法在DyScO3(110)基板上沉积了不同厚度的LSMO薄膜,发现随着厚度增加,LSMO薄膜从层状生长,变化到样品表面出现平行于基板特定方向的裂缝,临界厚度大约是100 nm,分析认为裂缝的产生和基板的各向异性应力有关。首次利用Cross-section TEM观察到裂纹不仅存在于LSMO薄膜中,还延伸至DSO基板中300 nm,结合断裂力学分析,表明厚度是影响裂缝生长情况的主要因素。EDX元素分析证明裂缝中物质为结晶性较差的LSMO,且通过C-AFM首次观察到裂缝处的异常电导行为,最大电流达6.8nA,因此,我们推测裂缝在薄膜沉积过程中就已经出现。  2.控制表面扩散-沉积流量比,我们利用脉冲激光沉积法制备了2D外延成长的LSMO/STO(110)异质结。对于30 nm薄膜,结合XRD摇摆曲线和AFM形貌图,我们推测[1-10]方向在外延生长的过程中引入了更多量的位错。各向异性的变温电阻率和磁化曲线表明,[001]和[1-10]方向金属绝缘体相变温度分别为310.8K和273.5 K,铁磁-顺磁相变居里温度皆为273.5 K,首次表明LSMO中存在顺磁-金属相。同时,不同温度磁滞回线的形状、矫顽场、饱和磁化强度,表明[001]方向相继发生了顺磁-超顺磁-超顺磁+铁磁-铁磁相互作用过程。[001]方向Tc以上的金属性电导行为,可能来自于该方向优先分布的超顺磁渗流效应。  3.基于71°和109° BFO畴结构,制备了不同厚度组合的LSMO/BFO异质结,Plane-view TEM图像显示薄膜中存在有序分布的孪晶结构,表明异质结样品中BFO铁弹畴仍然存在,且沿着[001]o方向分布。以氧八面体倾斜角度θ1为序参量,通过相场方法,我们首次模拟了BFO与LSMO界面的铁弹应变耦合情况。XRD-RSM图谱发现LSMO和BFO皆是distorted R相,而且根据BFO和LSMO布拉格峰的相似性,证明BFO和LSMO之间存在铁弹应变耦合。对不同厚度组合样品的软X射线散射谐振谱研究,发现室温下异质结中Fe和Mn原子的周期性相同,我们推断LSMO和BFO层的铁弹畴具有一一对应的关系,表明铁弹应变耦合是控制钙钛矿材料中拓扑缺陷的一种有效手段。  4.发现LSMO的[1-10]o方向是71°畴模板异质结样品的电输运难轴。LSMO(60 nm)/BFO(50 nm)样品中△TMI=85.8 K,△ρMI=6.6×10-3Ωcm,且随着厚度的变化,各向异性行为能够被人工调节。在LSMO(20 nm)/BFO(20 nm)样品中,首次观察到室温下金属-绝缘体电导行为在薄膜材料中共存的现象。此外利用109°BFO畴模板,我们首次实现了输运易轴在面内的90°旋转。时间解析光谱研究证实了△R/R=0曲线的转折点分别为TMI([001]o)=164.5 K和TMI([1-10]o)=221.0 K,这与对应各轴的电输运相变温度相吻合。同时,磁有序的回复时间τr(~ns)和铁磁金属相的负值讯号振幅Asp-la对温度的关系,说明磁有序在高温时首先出现在[001]o方向,低温下[001]o铁磁畴区域大于[1-10]o方向。以上研究表明,各向异性排布的铁弹畴对LSMO的宏观磁、电特性都有着显著的影响,拓展了应力调控的功能性。
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