锰氧化物薄膜制备工艺及表征手段.ppt

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1、6.3锰氧化物薄膜制备工艺及表征手段薄膜课题讲解简介锰氧化物属于典型的强关联电子材料,具有包括庞磁电阻、电荷/轨道有序、电子相分离、多铁性等奇特的物理特性。这些现象涉及一系列凝聚态物理学基本问题,是近年来研究者一直关注的热点和难点。并且这些奇异的电磁性质也为开发量子调控器件提供了基本素材。虽然近20年来对锰氧化物的研究取得了丰硕成果,全世界的研究者仍在为理解并应用其特性作着孜孜不倦的努力。一、巨磁电阻效应定义2007年10月，科学界的最高盛典—瑞典皇家科学院颁发的诺贝尔奖揭晓了。本年度，法国科学家阿尔贝·费尔(Al

2、bertFert)和德国科学家彼得·格林贝格尔(PeterGrunberg)因分别独立发现巨磁阻效应而共同获得2007年诺贝尔物理学奖。瑞典皇家科学院在评价这项成就时表示，今年的诺贝尔物理学奖主要奖励“用于读取硬盘数据的技术，得益于这项技术，硬盘在近年来迅速变得越来越小”。巨磁阻到底是什么？诺贝尔评委会主席佩尔·卡尔松用比较通俗的语言解答了这个问题。他用两张图片的对比说明了巨磁阻的重大意义：一台1954年体积占满整间屋子的电脑，和一个如今非常普通、手掌般大小的硬盘。正因为有了这两位科学家的发现，单位面积介质存储的信

3、息量才得以大幅度提升。目前，根据该效应开发的小型大容量硬盘已得到了广泛的应用。“巨磁电阻”效应（GMR，GiantMagnetoResistance)是指磁性材料的电阻率在有外磁场作用时较之无外磁场作用时存在巨大变化的现象。也就是说，非常弱小的磁性变化就能导致巨大电阻变化的特殊效应，变化的幅度比通常磁性金属与合金材料的磁电阻数值高10余倍。图所示为（Fe/Cr）n多层膜的GMR效应特性曲线二、锰氧化物的结构及其庞磁电阻效应1.钙钛矿锰氧化物基本的晶格一般泛指的锰氧化物(Manganites)是基于钙钛矿结构来说的，

4、它的通式可以写为：(其中R为稀土元素,A为碱土元素)，通常也称作Ruddlesden-Popper(RP)相。在RP化合物中，“n”代表八面体顺着晶体[001]方向堆垛的层数。如图1所示，单层n=1的化合物具有二维的结构，由一层八面体层和一层交替堆垛组成。n=2的双层和n=3的三层化合物分别有两层八面体和三层八面体与一层交替堆垛组成。n=∞的化合物具有无穷层的三维钙钛矿结构。其中结构为和的部分化合物表现出CMR效应。层状晶格图形如下2.CMR效应CMR效应存在于钙钦矿结构的掺杂锰氧化物中。不同于GMR和TMR依赖于

5、人工制备的纳米结构，钙钦矿锰氧化物的CMR效应是大块材料的体效应。由于其磁电阻值特别巨大，为了区别于金属多层膜中的GMR效应，人们将这种钙钦矿结构中的磁电阻效应冠之以超大磁电阻效应(eolossalMagnetoresistanee)，简称CMR效应。CMR的一个显著特征是在磁相变的同时伴随着金属到绝缘态的转变，并且磁电阻的陡然变化通常发生在居里点()附近，一旦温度偏离居里点，磁电阻迅速下降。这种极大的磁电阻效应实际上暗示了锰氧化物材料中自旋一电荷间存在着强烈的关联性。现在己经确认，锰氧化物具有电子的强关联特性，其

6、CMR机理，与铜氧化物的高温超导电性是一样的，是多电子强关联系统中十分有趣和困难的问题。在锰氧化物这类电子强关联体系中同时存在电荷序、自旋序和轨道序，它们相互藕合也相互竞争。这一系列新颖物理现象同时出现在一个物理系统中，并且相互祸合，确非其他磁性材料和磁阻材料可比，磁性质、输运性质和结构密切相关是这类CMR锰氧化物的显著特征。3.凝聚态物理中其余四大热点效应1)纳米颗粒膜巨磁电阻效应纳米颗粒膜是纳米材料中的一种,它是指纳米尺寸的颗粒镶嵌于薄膜中所构成的复合材料体系,如Fe、Co、Ni、NiFe镶嵌于Ag、Cu薄膜中

7、而构成,颗粒和基质元素在制备及应用条件下互不相溶,形成一种非均匀相,处于相分离状态。2)隧道结巨磁电阻效应(TMR)在两层金属薄膜之间夹一层10-40nm厚的绝缘薄膜就构成一个隧道结FMPIPFM"在两层金属薄膜之间加上偏压就有电子隧穿通过绝缘层势垒形成隧穿电流。3)金属多层膜巨磁电阻效应金属多层膜是由磁性金属膜与非磁性金属膜交叠而成的周期性膜,金属多层膜的类型有人工超晶格、多层膜、三明治膜、自旋阀型膜等,现在制备多层膜用的物理方法主要有两种:(1)蒸镀法(直接加热蒸镀、电子枪加热蒸镀、分子束外延等)；(2)溅射法

8、(高频溅射、离子束溅射、磁控溅射等。4)氧化物薄膜巨磁电阻效应氧化物薄膜巨磁电阻效应的着眼点是ABO3型钙钛矿结构的掺杂稀土锰氧化物,主要研究的内容是氧化物不同位置的掺杂特性,以研究不同物质的掺入对氧化物薄膜的巨磁电阻效应的影响;制造包含锰氧化物的多层膜以研究对锰氧化物的巨磁电阻的影响。三、制备锰氧化物薄膜的方法激光脉冲沉积法（PLD)磁控溅射（DC和RF）