典型磁性金屬及過渡金屬氧化物薄膜結(jié)構(gòu)、電磁性能的應(yīng)變調(diào)控.pdf

1、利用應(yīng)變來調(diào)控材料宏觀物理性質(zhì)的過程，稱其為“應(yīng)變工程”(strainengineering)。研究表明，應(yīng)變可以有效調(diào)控半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)、超導(dǎo)體的臨界溫度、龐磁電阻材料的相分離、鐵電體極化狀態(tài)、鐵氧體的共振頻率以及多鐵體的磁電耦合等物理現(xiàn)象。這些現(xiàn)象本質(zhì)在于應(yīng)變通過晶格改變了電荷、軌道、自旋自由度間的競爭及其強關(guān)聯(lián)作用?；趹?yīng)變調(diào)控技術(shù)，人們發(fā)展了可應(yīng)變調(diào)控的半導(dǎo)體發(fā)光二極管、鐵氧體微波器件、高靈敏度磁場傳感器以及高密度低功耗磁電

2、存儲器等新型器件，這些具有極大潛在應(yīng)用前景的新器件亦將應(yīng)變調(diào)控研究推向了國際前沿。本論文選擇該方向，研究應(yīng)變對過渡金屬及其氧化物薄膜材料電磁性質(zhì)和晶疇結(jié)構(gòu)的調(diào)控作用，理解這些材料宏觀物理性能和應(yīng)變的耦合關(guān)系，構(gòu)造并演示一些新型多功能薄膜原型器件（如應(yīng)變調(diào)控的磁電存儲器等）。具體地，本論文研究了對尖晶石結(jié)構(gòu)的(001)-Zn0.4Fe2.6O4(ZFO)、鈣鈦礦結(jié)構(gòu)(011)-La0.67Sr0.33MnO3(LSMO)、多層膜人工納米結(jié)

3、構(gòu)的磁隧道結(jié)(Magnetic Tunnel Junction(MTJ)）在壓電襯底鈮鎂鈦酸鉛(0.7Pb(Mg/3Nb1/3)O3-0.3PbTiO3(PMN-0.3PT))原位應(yīng)變作用下電磁性質(zhì)的變化，獲得了薄膜電磁性能等對應(yīng)變的依賴關(guān)系。研究中，采用了高分辨同步輻射x射線衍射技術(shù)表征樣品的微觀結(jié)構(gòu)、晶格應(yīng)變隨襯底外加電場的變化情況。
　　 第一章，介紹了應(yīng)變調(diào)控技術(shù)的研究背景以及目前存在的主要問題。首先，我們回顧應(yīng)變工程取

4、得的重要進(jìn)展;其次，我們介紹了應(yīng)變工程在多鐵性材料研究中的應(yīng)用，回顧了應(yīng)變調(diào)控磁電性能的研究進(jìn)展，指出應(yīng)用復(fù)合磁電材料實現(xiàn)應(yīng)變調(diào)控磁電性能的優(yōu)勢所在。最后給出本論文的研究對象、內(nèi)容以及擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問題。
　　 第二章，簡單介紹了應(yīng)變調(diào)控磁性的物理基礎(chǔ)，介紹了一些磁性物理的基本概念，給出宏觀熱力學(xué)理論框架下磁電耦合的唯象解釋，為論文中的理論分析做準(zhǔn)備。
　　 第三章，簡要介紹論文工作用到的關(guān)鍵實驗技術(shù)，包括高質(zhì)量薄膜制

5、備工藝、同步輻射高分辨X-ray衍射技術(shù)、原位電場控制下的磁化強度測量技術(shù)以及磁電阻測量平臺的軟、硬件設(shè)計。
　　 第四章，我們選擇具有半導(dǎo)體屬性的磁性鐵氧體Zn2.6Fe0.4O4作為研究對象，開展ZFO薄膜結(jié)構(gòu)和電磁性能的靜態(tài)(SrTiO3(STO)襯底）和動態(tài)應(yīng)變調(diào)控研究。在低溫低氣壓下，利用射頻磁控濺射工藝在0.7Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.3PbTiO3(PMN-0.3PT)上成功生長了極低粗糙度和高外延質(zhì)量

6、的Zn2.6Fe0.4O4(ZFO)薄膜。我們在ZFO/STO外延薄膜中發(fā)現(xiàn)了奇異的應(yīng)變行為，可能起源于ZFO的V-W生長方式。在ZFO/PMN-0.3PT中，我們發(fā)現(xiàn)室溫電阻率（調(diào)控率-0.1％）和磁化強度（調(diào)控率～1.1％）隨著應(yīng)變的增大分別降低和增強。這一結(jié)果可能是因為PMN-PT襯底產(chǎn)生的壓應(yīng)變增強了ZFO薄膜中Fe2+和Fe3+的雙交換作用所致。該研究成果為應(yīng)用電場調(diào)控磁化強度和電阻率實現(xiàn)多態(tài)存儲和電寫磁讀器件提供了實驗支持。

7、
　　 第五章，為了增強室溫下應(yīng)變調(diào)控剩余磁化強度的力度，我們在[011]取向的PMN-PT上外延生長了La0.67Sr0.33MnO3(LSMO)半金屬薄膜。面內(nèi)各向異性應(yīng)變的引入可以很好的調(diào)控LSMO的剩余磁化強度。我們發(fā)現(xiàn)沿著面內(nèi)[100]和[011]兩個方向的剩余磁化強度與電場有著相反的變化關(guān)系:沿著[100]方向，剩余磁化強度隨著電場增大而減小;沿著[011]方向，剩余磁化強度隨著電場增大而增大。這一結(jié)果起源于面內(nèi)各向

8、異性應(yīng)變作用下易磁化軸從[100]向[011]方向的轉(zhuǎn)動。我們在這一體系中發(fā)現(xiàn)了巨大的磁電耦合效應(yīng)（沿著[100]方向的調(diào)控率約-17.9％，沿著[011]方向調(diào)控率高達(dá)+157％），與國際水平在同一量級上。另外，我們利用襯底誘導(dǎo)的原位應(yīng)變來調(diào)控LSMO的電輸運性能，獲得了應(yīng)變調(diào)控的非揮發(fā)性多電阻態(tài)，進(jìn)而利用脈沖電場實現(xiàn)了多電阻態(tài)的寫入與擦除。這兩方面的結(jié)果對于開發(fā)新型的電控多態(tài)存儲器件有著重要的指導(dǎo)意義。
　　 第六章，我們研