若干单相锰氧化物中多铁性的研究

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1、南京大学博士学位论文若干单相锰氧化物中多铁性的研究作者：李少珍导师：刘俊明教授南京大学物理系、固体微结构国家实验室ADissertationforPh．DDegreeThemultiferroicityofseveralsinglephasemanganitesS．Z．LiSupervisedbyProf．J．-M．LiuNationalLaboratoryofSolidStateMicrostructureDepartmentofPhysicsNanjingUniversity塑苤查堑里鲎专业三鲤卫级博士生姓名：奎尘垒指导教师(

2、姓名、职称)：型垡塑整筮：盛±生主!至多铁·t生(Multiferroics)单相化合物(也称铁电磁体)，指以过渡金属氧化物为主的一大类材料。它们具备两个基本功能特征：一是在某一温度下同时具有铁电性和磁性(最好是铁磁性)，一些材料还同时具有铁弹性；二是铁电性和磁性之间有相互耦合。我们将其统称为磁电耦合。这种耦合的重要表现形式是外加电场(磁场)能够改变材料的磁性(铁电性)，从而实现多功能交互调控器件。多铁材料的研究是信息存储探测处理技术需求不断扩展和深入的结果。现代电子产业广泛使用磁存储技术，如巨磁电阻(GMR)磁存储。而铁电材料在

3、存储传感等工业领域同样有广泛应用，如超声马达、声换能器、铁电随机读取存储器。随着人们对信息存储及处理方面的要求越来越高，在器件小型化集成化趋于物理极限时，器件多功能化已成为信息技术发展的必经方向之一。其目的在于将原本各自控制的功能集成到一种材料中，实现各种功能相互调控。这已成为未来发展趋势。在应用过程中，具有优良性能薄膜的研究对电路设计和实际应用都是至关重要的一个因素。但是，多铁性材料要走向实际应用仍然存在一系列重要的科学难题有待我们去克服，解决这些问题需要长期而艰苦的研究积累。首先，铁电性和铁磁性之间相互排斥，以至于自然界中只存

4、在少量的多铁性材料。因此，通过不同的技术手段获得新的多铁性材料是多铁性研究的目标。其次，已有的多铁性材料转变温度相对比较低，难以将其应用到实际当中。因此，提升多铁性转变温度是多铁材料大规模应用的前提。再次，目前对多铁性单相材料的薄膜研究还不多，结合上述诸多考虑，多铁性薄膜研究是必须迈出的步骤。本博士论文正是围绕单相化合物中多铁性效应与多铁性薄膜制备等方面问题开展工作的，寄希望能够为解决上述问题贡献绵薄之力。为此，一方面我们利用脉冲激光沉积方法和高温高压方法分别调制薄膜和陶瓷的晶体结构，系统地研究外延正交YMn03薄T膜和外延Lao

5、5Luo．5Mno．5Nio．503薄膜的性能。另一方面，仔细分析了非磁性离子Ti掺杂YMn205增强多铁性的起因。无须讳言，本论文工作只是多铁性研究浪潮中的一点浪花，但也取得了相对丰富的结果。虽然我们主要涉及多铁性锰氧化物，但也将研究触角延伸到电子铁电体LuFe204的研究中。论文结构和主要研究结果如下：第一章综述了锰氧化物和电子型多铁材料的各种基本性质及其物理原因。首先概述锰氧化物的晶格结构；随后详细介绍锰氧化物和电子型多铁材料的物理机制和多铁材料中的磁电耦合效应和元激发；最后介绍多铁材料在自旋电子学中的可能应用。第二章主要介

6、绍在Nb：SrTi03衬底上利用脉冲激光沉积方法制备外延正交YMn03(o．YMO)薄膜，形成o．YMn03／Nb：SrTi03pn结。最近的研究表明，利用脉冲激光方法通过衬底调制RMn03(rt=Tb，Dy和Ho)钙钛矿锰氧化物使之成为六角相薄膜，这些薄膜是性能优良的多铁性材料。选择o．YMO是因为六角相YMO是多铁材料，可通过衬底把六角YMO调制成o．YMO多铁材料。本文对该薄膜的磁性、介电响应和■y整流效应行为进行了研究。不同于六角YMO，o．YMO薄膜在低温下表现出具有弱铁磁性和反铁磁背底的自旋玻璃行为，我们观测到自旋．声

7、子耦合导致介电常数的变化；而且可以通过外加电场来调控薄膜的自旋序。最后，对o．YMO／NSTO形成的p聆结测试了不同温度的厶矿曲线。这些实验结果表明在不同温度下测试的厶y整流效应和非对称性应该来源于热激活与可能存在的铁电性之间的相互竞争。第三章主要介绍利用脉冲激光沉积方法在Nb：SrTi03衬底上外延沉积正交Lao．5Luo5Nio5Mno503(LLNMO)薄膜。为了使多铁性薄膜更好地应用到器件中，要求薄膜具有相对较高的多铁性转变温度和好的磁电耦合效应。而目前研究的一些钙钛矿锰氧化物薄膜多铁性转变温度都较低。我们这里以LLMNO

8、薄膜为研究对象，主要是因为该材料存在A位无序引起的铁电性和B位有序产生的铁磁性。薄膜样品磁性测量结果表明T～125K薄膜有较好的铁磁回线，饱和磁矩在卜5K时为1．8,uB／fu．。在温度T～140K时，可以观察到铁电极化值为～0．29C／cm2，这