EuTiO3薄膜制備及物性研究.pdf

1、立方結(jié)構(gòu)EuTiO3(ETO)是一種在低溫條件下同時擁有磁有序和電有序的多鐵材料，表現(xiàn)為G型反鐵磁序（尼爾溫度為5.1K）和量子順電序（溫度70K以下）。在反鐵磁-順電序共存溫度區(qū)間內(nèi)，ETO塊材的Eu自旋和介電屬性之間存在著很強的耦合作用。另外，通過水平應(yīng)變的調(diào)制作用，ETO薄膜的多鐵性將會改變，由反鐵磁-順電性轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁-鐵電性，鐵磁和鐵電居里溫度分別為4.24K和250K。這些特性說明此材料中同時存在復(fù)雜的電荷、自旋、晶格和軌道自

2、由度，并且這些自由度的交互耦合作用，使得這種材料的塊材和薄膜中產(chǎn)生了新穎的磁性、電性和各種奇異的性質(zhì)，其中的物理機制極為豐富。因此本論文從EuTiO3薄膜制備工藝研究出發(fā)，詳細(xì)地研究了不同條件下薄膜的物理性質(zhì)和相關(guān)物理機制，實現(xiàn)了這種多鐵材料的微結(jié)構(gòu)-應(yīng)變-物理性質(zhì)三方面系統(tǒng)研究。
　　本文采用脈沖激光沉積法在(001)SrTiO3襯底上制備了(001) ETO單相薄膜和(001)ETO∶MgO復(fù)合薄膜。分別采用X射線衍射(XRD

3、)、透射電鏡(TEM)等對薄膜樣品進行了微結(jié)構(gòu)表征，詳細(xì)地研究了單相薄膜和復(fù)合薄膜的應(yīng)變情況，重點研究了這兩種薄膜的物理性質(zhì)，例如磁學(xué)、電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)。得到的主要結(jié)果匯總?cè)缦?
　　1、制備獲得的原位生長的(001) ETO單相薄膜，由于沉積氧壓極低，在沉積過程中產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)變。應(yīng)變調(diào)制了單相薄膜的磁性質(zhì)，轉(zhuǎn)變?yōu)轭愯F磁性。然后經(jīng)過高溫還原性氣氛條件下后退火處理，內(nèi)應(yīng)變被消除，得到了高質(zhì)量外延的(001) ETO單相薄膜（后退火ETO

4、薄膜）。溫度低于5.1K時，外延單相薄膜表現(xiàn)為反鐵磁性，這主要是因為無應(yīng)變條件下薄膜與塊材的磁性質(zhì)一致。隨后我們對比了兩種單相薄膜的室溫漏電密度，后退火ETO薄膜的值比原位生長薄膜的值減小了7個數(shù)量級。通過XPS測試結(jié)果表明，后退火處理減少了薄膜中的Eu3+雜質(zhì)，這部分雜質(zhì)增加了薄膜中的載流子，從而使得原位生長薄膜的漏電增大。在不同溫度范圍、不同偏壓條件下，我們擬合了后退火ETO薄膜的漏電密度-電場強度(J-E)曲線，分析得到了不同的漏

5、電機制，且與溫度和偏壓之間存在著很強的關(guān)聯(lián)性:低溫(50K＜T＜100K)范圍內(nèi)，薄膜漏電表現(xiàn)受到體效應(yīng)的影響，在正負(fù)偏壓條件下都滿足SCLC規(guī)律。高溫(200＜T＜300 K)范圍內(nèi)，薄膜漏電表現(xiàn)受到界面效應(yīng)的影響，在正偏壓條件下滿足FN機制;在負(fù)偏壓條件下滿足Schottky emission機制。
　　2、進一步制備了高質(zhì)量外延的(001) ETO∶MgO復(fù)合薄膜，研究了應(yīng)變調(diào)制作用下復(fù)合薄膜物理性質(zhì)的改變。通過XRD、TE

6、M和STEM測試手段獲得了復(fù)合薄膜的微結(jié)構(gòu)特性，兩相分離的ETO和MgO相垂直有序地間隔生長。形成了基體-納米柱的表現(xiàn)形式，其中基體為ETO相，納米柱為MgO相，納米柱尺寸為5nm。同時300nm厚的復(fù)合薄膜中，ETO相受到+2.56％的張應(yīng)變，應(yīng)變方向為垂直于基片表面的方向。受到垂直應(yīng)變的作用，復(fù)合薄膜的基本鐵序轉(zhuǎn)變?yōu)榱髓F磁-鐵電序。實驗數(shù)據(jù)表明復(fù)合薄膜的鐵磁居里溫度為3.5K，鐵電居里溫度為250K。通過進一步的磁介電測試發(fā)現(xiàn)，在鐵

7、磁-鐵電共存溫度范圍內(nèi)（溫度低于3.5K），復(fù)合薄膜表現(xiàn)出很強的磁電耦合效應(yīng)。在鐵磁居里溫度附近，隨著溫度的降低，復(fù)合薄膜磁電耦合機制的變化情況:線性EH（α）機制(10K)→二次線性EH2(β)機制(3.5K)→四次E2H2(δ)機制(2K)。
　　3、分別研究了ETO單相薄膜和ETO∶MgO復(fù)合薄膜的光性質(zhì)。在應(yīng)變和無應(yīng)變的ETO單相薄膜中，通過飛秒瞬態(tài)吸收光譜測試，對比研究了兩種薄膜的光生載流子弛豫動力學(xué)過程。實驗結(jié)果表明2

8、p-3dt2g能帶間的弛豫過程基本一致，說明應(yīng)變對此未起到作用，而應(yīng)變增強了4f-3dt2g能帶間的弛豫過程。這樣的現(xiàn)象表明應(yīng)變調(diào)制了材料的能帶結(jié)構(gòu)，從而改變了ETO相的載流子動力學(xué)過程。在ETO∶MgO復(fù)合薄膜中，我們測試和對比了ETO單相薄膜、MgO單相薄膜、ETO∶MgO復(fù)合薄膜和LaAlO3襯底的反射、吸收和透射特性，得到了復(fù)合薄膜奇特的光性質(zhì)。使用CST Studio2009軟件理論模擬了復(fù)合薄膜微結(jié)構(gòu)和光性質(zhì)之間的關(guān)系，從而