鐵性材料薄膜制備、性能及器件設(shè)計(jì).pdf

1、鈣鈦礦結(jié)構(gòu)錳氧化物薄膜由于巨磁電阻效應(yīng)等，在高密度存儲(chǔ)器件、磁隨機(jī)存儲(chǔ)和傳感器以及自旋極化的全氧化物器件等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。鈣鈦礦結(jié)構(gòu)錳氧化物是典型的強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系，電子、晶格、自旋、軌道等之間相互作用，使其表現(xiàn)出來電荷有序、軌道有序以及相分離等非常豐富的物理內(nèi)容，這些復(fù)雜的現(xiàn)象吸引了眾多物理研究人員的興趣。因此，對(duì)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)錳氧化物薄膜的研究和探討，不僅對(duì)自旋電子學(xué)基礎(chǔ)物理研究具有重要意義，而且對(duì)于相關(guān)器件，特別是對(duì)全氧化物或者氧化

2、物-金屬器件的研制具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。
　　 鐵電薄膜具有良好的鐵電、壓電等性質(zhì)，在各種微電子器件（例如非揮發(fā)性動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器和鐵電場(chǎng)效應(yīng)管上）有著巨大的應(yīng)用價(jià)值，而被廣泛研究。其中，非揮發(fā)性存儲(chǔ)器不需外場(chǎng)就能保存信息，是一個(gè)理想的存儲(chǔ)器件。疲勞行為和印記效應(yīng)等是導(dǎo)致鐵電器件失效的主要機(jī)制，影響著鐵電存儲(chǔ)器的使用壽命，能明白并解決它們，對(duì)實(shí)際應(yīng)用有重要的意義。
　　 多鐵材料是指同時(shí)具有鐵電、鐵磁、鐵彈中的兩種或兩種

3、以上特性的材料。人們最關(guān)注的多鐵材料是鐵磁電材料，即同時(shí)具有鐵電性和鐵磁性，由于其具有的磁電耦合效應(yīng)，使其在電子器件方面有著廣泛的應(yīng)用前景，例如磁電隨機(jī)存儲(chǔ)器。
　　 在本文中，我們通過對(duì)鈣鈦礦錳氧化物外延膜的應(yīng)力和厚度效應(yīng)的研究，探索了錳氧化物外延膜的應(yīng)力和厚度效應(yīng)對(duì)其磁性和輸運(yùn)性質(zhì)的影響，觀察到應(yīng)力誘導(dǎo)的電荷有序絕緣相合相分離。我們制備了高質(zhì)量的鐵電電容器Pt/PZT80/LSMO.并以此樣品研究了電容器的失效機(jī)制：疲勞和印

4、記，進(jìn)一步了解了失效機(jī)制的起源。以上述兩方面為基礎(chǔ)，研究了多鐵復(fù)合薄膜的磁電耦合效應(yīng)。
　　 本論文總共分六章。
　　 第一章主要分成三部分：第一部分我們回顧了鈣鈦礦結(jié)構(gòu)錳氧化物的基本性質(zhì)和主要特征，包括晶體結(jié)構(gòu)，晶場(chǎng)劈裂，磁結(jié)構(gòu)，相圖，有序相和相分離等，以及，從外延膜的應(yīng)力和厚度效應(yīng)對(duì)薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和物理性能的影響：第二部分我們簡(jiǎn)單的介紹了鐵電材料的基本性質(zhì)和應(yīng)用，包括存儲(chǔ)元件，晶體結(jié)構(gòu)，疇結(jié)構(gòu)，極化翻轉(zhuǎn)，以及鐵電電容

5、器的失效機(jī)制。第三部分簡(jiǎn)單的介紹了多鐵材料以及多鐵復(fù)合薄膜，并對(duì)磁電耦合作用和其應(yīng)用磁電隨機(jī)存儲(chǔ)器做了簡(jiǎn)單介紹。
　　 第二章簡(jiǎn)要地介紹了薄膜制備所使用的錳氧化物和PZT塊材的制備方法，脈沖激光沉積薄膜方法及其特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)是制備工藝簡(jiǎn)單，容易上手，缺點(diǎn)是不易大規(guī)模生產(chǎn)，薄膜表面容易出現(xiàn)顆粒。我們系統(tǒng)得介紹了：鐵電(PZT)電容器（薄膜）的制備參數(shù)，以及結(jié)構(gòu)和鐵電性能的表征；錳酸鹽(LPCMO)薄膜制備參數(shù)，以及結(jié)構(gòu)、磁性質(zhì)和輸運(yùn)性

6、質(zhì)的表征。并對(duì)測(cè)量所需要的儀器和基本原理進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹。
　　 第三章系統(tǒng)研究了分別生長(zhǎng)在LSAT(001)、NGO(110)和NGO(001)襯底上的LPCMO薄膜的輸運(yùn)性能和磁性質(zhì)，他們表現(xiàn)出明顯的不同。特別是，即使LPCMO塊材是鐵磁金屬基態(tài)，LPCMO/LSAT(001)薄膜表現(xiàn)出了明顯的兩相共存（鐵磁金屬態(tài)和電荷有序絕緣態(tài)）。在LPCMO/LSAT(001)薄膜上我們觀察到明顯的低場(chǎng)磁阻，溫度范圍是：10～200K。這

7、些現(xiàn)象是由于面內(nèi)且應(yīng)力弛豫產(chǎn)生的，同時(shí)這也預(yù)示著可以通過應(yīng)力模版來調(diào)控外延薄膜的相分離和龐磁阻。
　　 第四章主要研究了Pr摻雜對(duì)LCMO薄膜的輸運(yùn)性質(zhì)影響。我們利用脈沖激光沉積方法分別在NGO(1l0)，NGO(OO1)，LSAT(001)襯底上制備了LPCMO(X=0.1，0.2，0.5)薄膜，由于Pr摻雜引起的Jahn-Teller畸變和襯底失配引起的應(yīng)力共同作用下，改變了LPCMO薄膜的輸運(yùn)性質(zhì)，大大豐富了其相圖。生長(zhǎng)在

8、NGO(110)襯底上的LPCMO(≤0.25)薄膜可用于紅外探測(cè)。
　　 第五章對(duì)鐵電電容器的失效機(jī)制（印記和疲勞）進(jìn)行了詳細(xì)研究。對(duì)于電容器疲勞行為的研究，我們主要發(fā)現(xiàn)LSMO薄膜作為電極仍然會(huì)產(chǎn)生疲勞，且與翻轉(zhuǎn)頻率有關(guān)，并給出了一種合理的解釋。對(duì)于印記行為研究，我們?cè)赑ZT80薄膜發(fā)現(xiàn)了和別人相反的印記行為，并進(jìn)行了合理解釋。
　　 第六章鐵電薄膜(PZT80)的剩余極化會(huì)隨溫度、磁場(chǎng)發(fā)生變化，但是數(shù)值比較小，而且