新型磁性氧化物單晶薄膜制備及多自由度耦合機(jī)理研究.pdf

1、鈣鈦礦氧化物的研究一直是材料科學(xué)和凝聚態(tài)物理研究的前沿領(lǐng)域之一。上世紀(jì)中葉，鈦酸鉛、鈦酸鋇等材料以其優(yōu)越的壓電、鐵電性質(zhì)以及實(shí)用性受到了科研工作者的關(guān)注。八十年代銅氧化合物高溫超導(dǎo)體，提升了人們對(duì)這類(lèi)材料研究的熱情。自旋電子學(xué)器件及信息存儲(chǔ)等領(lǐng)域的高速發(fā)展，激發(fā)了人們對(duì)磁性氧化物進(jìn)一步的興趣，尤其是在鈣鈦礦或?qū)訝钼}鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物中。同時(shí)，鈣鈦礦及層狀鈣鈦礦氧化物中的復(fù)雜相互作用使其不僅具有豐富的物理性質(zhì)，還表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。探索高質(zhì)

2、量單晶薄膜的制備，是研究?jī)?nèi)在物理機(jī)制及宏觀表現(xiàn)的基礎(chǔ)，也是原型器件制備乃至下一步工業(yè)化應(yīng)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(nèi)在機(jī)理的基本途徑，更是將磁性氧化物推向應(yīng)用的不可或缺的一部分。
　　本文涉及的研究?jī)?nèi)容，按照研究材料的結(jié)構(gòu)類(lèi)型可以分為兩部分，即簡(jiǎn)單鈣鈦礦磁性氧化物和復(fù)雜層狀鈣鈦礦磁性氧化物。第一部分研究是基于簡(jiǎn)單鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的新型磁性氧化物研究，側(cè)重于高質(zhì)量可控制備薄

3、膜中多自由度耦合機(jī)理的研究，并嘗試進(jìn)行調(diào)控;第二部分是在第一部分基礎(chǔ)上，針對(duì)更加復(fù)雜的大周期層狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物的磁性及多鐵性研究，在制備單晶外延薄膜的基礎(chǔ)上，從周期數(shù)目和摻雜兩種角度出發(fā)，研究薄膜磁性及多鐵性表現(xiàn)并探討其深層物理機(jī)制。
　　本論文第一章是文獻(xiàn)綜述，主要介紹鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的基本特點(diǎn)和磁性相互作用的類(lèi)型，初步介紹了文獻(xiàn)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(jié)了簡(jiǎn)單鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的LaCoO3應(yīng)力薄膜及復(fù)雜層

4、狀鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的Aurivilliu相多鐵磁電材料的研究進(jìn)展，確定了本論文的研究方向。第二章是論文研究過(guò)程中使用的試驗(yàn)技術(shù)總結(jié)介紹，其中包括薄膜制備，形貌結(jié)構(gòu)、宏觀物性、電子結(jié)構(gòu)等表征分析，與微納器件的加工制造等。
　　第三章是基于簡(jiǎn)單鈣鈦礦結(jié)構(gòu)新型磁性氧化物L(fēng)aCoO3薄膜的研究，重點(diǎn)在于關(guān)注多自由度耦合機(jī)制的表現(xiàn)和調(diào)控?；诹己迷优_(tái)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(lèi)型的對(duì)比樣品，系統(tǒng)研究應(yīng)力與

5、缺陷共同作用于薄膜鐵磁性的機(jī)制，發(fā)現(xiàn)了一種高溫高對(duì)稱(chēng)材料體系中的本征鐵磁絕緣體，對(duì)于自旋電子學(xué)器件的發(fā)展具有重大意義。同時(shí)，詳細(xì)地探索了薄膜的晶體結(jié)構(gòu)、表面形貌、磁疇圖案、磁性（動(dòng)力學(xué)）、導(dǎo)電性、光學(xué)等隨厚度的變化規(guī)律，以及通過(guò)厚度控制實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)疇對(duì)薄膜磁疇及磁各向異性的調(diào)控。最后在LaCoO3/LaAlO3/SrTiO3雙層薄膜樣品中，依據(jù)宏觀磁性的調(diào)控結(jié)果，借助同步輻射半指數(shù)峰衍射、掃描透射電子顯微學(xué)以及軟X射線吸收譜學(xué)等分析手段，更

6、加深刻地理解了應(yīng)力、電荷以及氧八面體旋轉(zhuǎn)等多種自由度在界面處的耦合作用。
　　第四章是關(guān)于層狀復(fù)雜鈣鈦礦結(jié)構(gòu)材料外延薄膜的制備與表征研究。內(nèi)容主要分成兩個(gè)部分:其一，基于結(jié)構(gòu)周期物性調(diào)制思路，通過(guò)制備文獻(xiàn)尚未報(bào)道的具有超大周期結(jié)構(gòu)的Bi11(Fe5CoTi3)10/9O33薄膜，探索超大周期結(jié)構(gòu)的薄膜制備及其磁電性能，研究發(fā)現(xiàn)薄膜內(nèi)部存在一種自調(diào)制的結(jié)構(gòu)形式，同時(shí)在室溫同樣具有鐵電鐵磁性;其二，基于元素?fù)诫s調(diào)控思路，研究精準(zhǔn)摻雜條