新型磁性氧化物單晶薄膜制備及多自由度耦合機理研究.pdf

1、鈣鈦礦氧化物的研究一直是材料科學和凝聚態(tài)物理研究的前沿領域之一。上世紀中葉，鈦酸鉛、鈦酸鋇等材料以其優(yōu)越的壓電、鐵電性質以及實用性受到了科研工作者的關注。八十年代銅氧化合物高溫超導體，提升了人們對這類材料研究的熱情。自旋電子學器件及信息存儲等領域的高速發(fā)展，激發(fā)了人們對磁性氧化物進一步的興趣，尤其是在鈣鈦礦或層狀鈣鈦礦結構氧化物中。同時，鈣鈦礦及層狀鈣鈦礦氧化物中的復雜相互作用使其不僅具有豐富的物理性質，還表現出良好的應用前景。探索高質

2、量單晶薄膜的制備，是研究內在物理機制及宏觀表現的基礎，也是原型器件制備乃至下一步工業(yè)化應用的前提。而更好的理解材料中晶格、電荷、自旋與軌道等多種自由度之間的相互作用是探索磁性氧化物內在機理的基本途徑，更是將磁性氧化物推向應用的不可或缺的一部分。
　　本文涉及的研究內容，按照研究材料的結構類型可以分為兩部分，即簡單鈣鈦礦磁性氧化物和復雜層狀鈣鈦礦磁性氧化物。第一部分研究是基于簡單鈣鈦礦結構的新型磁性氧化物研究，側重于高質量可控制備薄

3、膜中多自由度耦合機理的研究，并嘗試進行調控;第二部分是在第一部分基礎上，針對更加復雜的大周期層狀鈣鈦礦結構氧化物的磁性及多鐵性研究，在制備單晶外延薄膜的基礎上，從周期數目和摻雜兩種角度出發(fā)，研究薄膜磁性及多鐵性表現并探討其深層物理機制。
　　本論文第一章是文獻綜述，主要介紹鈣鈦礦結構的基本特點和磁性相互作用的類型，初步介紹了文獻中已有磁性氧化物和多鐵磁電耦合材料的基本情況，分別回顧總結了簡單鈣鈦礦結構的LaCoO3應力薄膜及復雜層

4、狀鈣鈦礦結構的Aurivilliu相多鐵磁電材料的研究進展，確定了本論文的研究方向。第二章是論文研究過程中使用的試驗技術總結介紹，其中包括薄膜制備，形貌結構、宏觀物性、電子結構等表征分析，與微納器件的加工制造等。
　　第三章是基于簡單鈣鈦礦結構新型磁性氧化物LaCoO3薄膜的研究，重點在于關注多自由度耦合機制的表現和調控?；诹己迷优_階的單一截止面襯底及原位反射式高能電子衍射監(jiān)控手段，制備了大量不同類型的對比樣品，系統(tǒng)研究應力與

5、缺陷共同作用于薄膜鐵磁性的機制，發(fā)現了一種高溫高對稱材料體系中的本征鐵磁絕緣體，對于自旋電子學器件的發(fā)展具有重大意義。同時，詳細地探索了薄膜的晶體結構、表面形貌、磁疇圖案、磁性（動力學）、導電性、光學等隨厚度的變化規(guī)律，以及通過厚度控制實現結構疇對薄膜磁疇及磁各向異性的調控。最后在LaCoO3/LaAlO3/SrTiO3雙層薄膜樣品中，依據宏觀磁性的調控結果，借助同步輻射半指數峰衍射、掃描透射電子顯微學以及軟X射線吸收譜學等分析手段，更

6、加深刻地理解了應力、電荷以及氧八面體旋轉等多種自由度在界面處的耦合作用。
　　第四章是關于層狀復雜鈣鈦礦結構材料外延薄膜的制備與表征研究。內容主要分成兩個部分:其一，基于結構周期物性調制思路，通過制備文獻尚未報道的具有超大周期結構的Bi11(Fe5CoTi3)10/9O33薄膜，探索超大周期結構的薄膜制備及其磁電性能，研究發(fā)現薄膜內部存在一種自調制的結構形式，同時在室溫同樣具有鐵電鐵磁性;其二，基于元素摻雜調控思路，研究精準摻雜條