La0.7Sr0.3MnO3薄膜中应力诱导的高温铁磁性

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探索高居里温度超薄磁性绝缘性材料，并基于此类材料开发高温实用型自旋电子器件一直是自旋电子学领域人们追求的目标，其对高自旋极化电流的获取、多态存储器研制等具有重要意义。钙钛矿锰氧化物材料由于其晶格-轨道-电荷-自旋间相互耦合导致了诸多新颖的物理性质，赋予了它巨大的应用前景。其中具有半金属性、高居里温度(TC=369 K)和庞磁电阻效应(CMR)等独特性质的La0.7Sr0.3MnO3(LSMO)是最具代表性的材料，但随着薄膜厚度减小，LSMO薄膜居里温度会迅速降低，这严重限制了其实际应用的器件化进程。针对这一问题，我们通过应力诱导的方式，有效调控材料中电子轨道占据，实现了超薄LSMO薄膜高温铁磁绝缘性。主要研究内容包括：
　　(1)为了精确控制 LSMO薄膜 Layer-by-layer生长，首先将(110)和(001)取向 SrTiO3(STO)衬底经BHF溶液(NH4F和HF缓冲溶液)腐蚀，并在氧气氛中退火。通过优化腐蚀时间、退火温度、保温时间等参量获得具有规则台阶状表面，具有一定台阶高度的TiO2终端STO衬底，为后续高质量LSMO薄膜生长奠定基础。
　　(2)利用脉冲激光沉积(PLD)在(110)取向STO衬底生长LSMO薄膜，厚度为n=4-18 u.c.(unit cells)，发现(110) LSMO超薄膜(n≤7 u.c.)呈现室温铁磁绝缘性，部分样品居里温度超过390 K。通过X射线吸收光谱对电子轨道占据和氧空位进行研究，在LSMO超薄膜中氧空位的存在促使电子转移到Mn离子中，形成具有半满3d高自旋电子态的Mn2+离子；同时衬底应力导致 LSMO中Mn3+离子的eg轨道电子择优占据3z2-r2，从而平行膜面方向相邻Mn2+和Mn3+离子可以通过O2-离子产生超交换铁磁耦合作用。
　　(3)为了进一步探究应力对薄膜居里温度的调控，我们在(001) STO衬底上设计并制备了LSMO/BaTiO3超晶格和双层膜结构，通过BaTiO3材料对LSMO的张应力来调控电子轨道占据，实现了电子择优占据eg(x2-y2)轨道，从而使Mn离子在面内产生有效铁磁耦合，显著提高LSMO超薄膜的铁磁居里温度。在LSMO/BaTiO3超晶格中，通过增加超晶格生长周期数，使薄膜居里温度接近室温；而在 BaTiO3(20 u.c.)覆盖的双层膜中LSMO表现出显著的室温铁磁性，居里温度超过375 K。
　　总之，我们通过应力诱导方式调节 eg轨道能量，促使超薄 LSMO薄膜中电子实现面内轨道占据，有效提高了LSMO薄膜的居里温度，这为其在自旋电子学器件中的实际应用奠定基础。

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作者
武彪;
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作者单位

山西师范大学;

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授予单位山西师范大学;
学科化学
授予学位硕士
导师姓名全志勇;
年度 2017
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类特种结构材料;
关键词
LSMO薄膜; 应力诱导; 高温铁磁性;

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