應(yīng)力對La0.8Ca0.2MnO3薄膜電輸運性能的調(diào)控研究

胡小飛, 姚 洋, 華正和

(1.寧夏大學(xué) 物理與電氣信息學(xué)院, 寧夏 銀川 750021; 2.淮陰師范學(xué)院 物理與電子電氣工程學(xué)院, 江蘇 淮安 223300)

應(yīng)力對La0.8Ca0.2MnO3薄膜電輸運性能的調(diào)控研究

胡小飛1,2, 姚 洋1,2, 華正和2

(1.寧夏大學(xué) 物理與電氣信息學(xué)院, 寧夏 銀川 750021; 2.淮陰師范學(xué)院 物理與電子電氣工程學(xué)院, 江蘇 淮安 223300)

采用脈沖激光沉積技術(shù),在LaAlO3和0.67Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.33PbTiO3兩種單晶基片上外延生長了La0.8Ca0.2MnO3薄膜.X射線衍射分析表明兩種薄膜皆為單取向生長,且面內(nèi)分別受到壓應(yīng)力和張應(yīng)力作用.晶格失配造成的應(yīng)力對薄膜的電阻和金屬-絕緣相轉(zhuǎn)變溫度Tp影響很大.對LCMO/PMN-PT施加外電場,從而調(diào)節(jié)薄膜所受應(yīng)力也可以調(diào)制其電阻和Tp.

La0.8Ca0.2MnO3薄膜; 應(yīng)力; 電運輸性質(zhì)

0 引言

鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物是一種電荷、軌道、晶格、自旋四者緊密相關(guān)的強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系材料[1-3],具有介電、鐵電、壓電、熱電、光電、超導(dǎo)、巨磁電阻及光學(xué)非線性等非常豐富的特性和效應(yīng).錳氧化物是鈣鈦礦結(jié)構(gòu)氧化物的一個重要分支,受到廣泛地關(guān)注[4-6].錳氧化物在相空間邊界對外磁場、外電場、光照等異常敏感.Jin等[7]發(fā)現(xiàn)在La0. 67Ca0. 33MnO3薄膜中的磁電阻可達(dá)105%～ 106%,證明了薄膜效應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)錳氧化磁電阻效應(yīng).J GAO等[8]對不同Ca摻雜比例的La1-xCaxMnO3薄膜進(jìn)行了一系列電致電阻效應(yīng)研究,發(fā)現(xiàn)薄膜對外電場異常敏感的特性,同時還觀測到新奇的反常電阻行為.另外,人們還在錳氧化物薄膜中發(fā)現(xiàn)了激光照射激發(fā)的電阻變化效應(yīng)、電脈沖誘導(dǎo)的電阻可逆變化效應(yīng)等奇特性質(zhì)[9-10].

研究發(fā)現(xiàn),錳氧化物薄膜的物理性能還受很多內(nèi)在因素的影響,如薄膜中的氧空缺、晶體質(zhì)量、晶格弛豫、晶粒大小和化學(xué)配比等[11-12].最近,出現(xiàn)了一系列在弛豫型鐵電襯底上生長的錳氧化物薄膜的電阻受壓電應(yīng)力調(diào)控的報道[13-14].通過壓電應(yīng)力的調(diào)控來促進(jìn)或減弱雙交換、姜-泰勒效應(yīng),引發(fā)Mn-O鍵長和Mn3+-O-2-Mn4+鍵角的改變,從而導(dǎo)致電磁輸運性能的變化.這些研究為新型功能材料和電子元件的制備生產(chǎn)提供了廣闊的前景.

本文研究了由于晶格失配造成的張應(yīng)力和壓應(yīng)力分別對La0.8Ca0.2MnO3(LCMO)薄膜電阻和金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變溫度的影響,并且分析了壓電應(yīng)力改變對薄膜電阻和金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變溫度的調(diào)控作用.

1 實驗部分

用傳統(tǒng)的固相反應(yīng)方法燒結(jié)LCMO靶材.然后,采用脈沖激光沉積方法分別在(001)取向的LaAlO3(LAO)和0.67Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.33PbTiO3(PMN-PT)單晶基片上生長薄膜.激光源為Coherent公司生產(chǎn)的Compexpro201型激光器.鍍膜時,激光能量為380 mJ,頻率為2 Hz.基片溫度為650℃,腔內(nèi)氧氣壓為50 Pa.鍍膜結(jié)束后,為了防止氧空缺的產(chǎn)生,樣品在1個大氣壓氧氣氣氛下退火30 min.薄膜厚度約為45 nm.

利用Siemens D5000型X射線衍射儀測量薄膜晶格結(jié)構(gòu).電輸運測量示意圖如圖1所示,分別使用數(shù)字源表Keithley 2400和Keithley 6487作為測量單元和外接電壓源,20 kΩ電阻提供分壓保護(hù).

2 結(jié)果討論

圖1 薄膜電運輸性質(zhì)測量示意圖

圖2 在LAO和PMN-PT兩種(001)取向單晶襯底基片上生長的LCMO薄膜的XRD圖譜比較

圖3為LAO和PMN-PT基片上生長的LCMO薄膜電阻隨溫度變化關(guān)系.由圖3可以看出LAO和PMN-PT基片上生長的LCMO薄膜的金屬-絕緣體轉(zhuǎn)變溫度Tp相差較大,分別為195 K和147 K. PMN-PT基片上生長的LCMO薄膜的電阻峰值為LAO上的2.7倍.如前所述,兩種薄膜生長條件相同,差別在于薄膜與基片之間的晶格失配度不同,從而使得薄膜分別處于張應(yīng)變和壓應(yīng)變.由此可見,晶格應(yīng)變對薄膜的物理性能影響較大.

圖3 LAO和PMN?PT基片上生長的LCMO薄膜的R?T關(guān)系曲線圖 圖4 LCMO/PMN?PT薄膜/基片兩端施加不同電壓調(diào)制所測得的R?T關(guān)系曲線

為了進(jìn)一步分析晶格應(yīng)變對LCMO的轉(zhuǎn)變溫度Tp和電阻的影響,我們在LCMO/PMN-PT薄膜/基片上施加穩(wěn)定電壓來調(diào)制薄膜所受的應(yīng)力.PMN-PT基片由于壓電效應(yīng),在受到不同外電場作用時,晶胞將拉長或壓縮,使薄膜受到的應(yīng)力也相應(yīng)變化,從而可以原位研究外應(yīng)力對其物理性能的影響.

圖4為對LCMO/PMN-PT薄膜/基片兩端施加不同電壓調(diào)制所測得的R-T曲線，定義從LCMO薄膜指向PMN-PT基片電壓為正向電壓.由圖4可知:在不施加電場情況下,LCMO薄膜的金屬-絕緣相變溫度Tp為147 K;施加一個從薄膜指向基片的電壓,薄膜電阻隨極化電壓的增強(qiáng)而減小,金屬-絕緣相變溫度Tp向高溫移動,500 V時為150 K.這種現(xiàn)象與文獻(xiàn)中的報道相符[16].PMN-PT在正向電場作用下,發(fā)生鐵電極化,面內(nèi)晶格收縮,從而使LCMO薄膜與基片間由于晶格失配造成的張應(yīng)力減弱,Mn-O鍵長縮短,Mn+3-O-2-Mn+4共價鍵鍵角增大,雙交換作用增強(qiáng),薄膜電阻減小,TP向高溫移動[17].這種應(yīng)力影響與上述由于基片不同造成的面內(nèi)晶格失配應(yīng)力對電運輸性質(zhì)的影響相一致.因此,我們認(rèn)為晶格受應(yīng)力是兩種薄膜電運輸性質(zhì)不同的主要原因.

3 結(jié)論

綜上所述,晶格失配應(yīng)力對LCMO薄膜的電阻和金屬-絕緣相變溫度有很大影響,相同生長條件下,薄膜受到面內(nèi)張應(yīng)力比壓應(yīng)力情況下電阻大,轉(zhuǎn)變溫度低.減小面內(nèi)張應(yīng)力能使薄膜電阻減小和Tp增大.

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[責(zé)任編輯：蔣海龍]

The Effect of Strain on Electrical Transport Properties in La0.8Ca0.2MnO3Films

HU Xiao-fei1,2, YAO Yang1,2, HUA Zheng-he2

(1.School of Physics and Electrical Information, Ningxia University, Yinchuan Ningxia 750021, China) (2.School of Physics and Electronic Electrical Engineering, Huaiyin Normal University, Huaian Jiangsu 223300, China)

La0.8Ca0.2MnO3thin films were epitaxially grown on LaAlO3and 0.67Pb (Mg1/3Nb2/3) O3-0.33PbTiO3crystal substrates by pulsed laser deposition technique. X ray diffraction analysis showed that the two kinds of films were single orientation grown, and the two films were under compressive and tensile stress respectively. Stress induced by lattice mismatch played great role on the resistance and metal-insulator phase transition temperatureTpof the films. Applying external electric field on LCMO/PMN-PT, thereby regulating the film stress, can also modulate the resistance andTp.

La0.8Ca0.2MnO3thin films; stress; electoral transport properties

2014-02-22

江蘇省高校大學(xué)生實踐創(chuàng)新訓(xùn)練計劃項目(2012JSSPITP2486)

華正和(1971-)， 男， 江蘇沭陽人， 教授， 博士， 主要從事凝聚態(tài)物理研究. Email： huazhenghe@sina.com

O484.3

A

1671-6876(2014)02-0117-04