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本论文系统地研究了强电流/电场处理对钙钛矿型锰氧化物薄膜电、磁输运性质的影响以及基于锰氧化物薄膜的p-n异质结的电、磁输运性质。根据不同的侧重点,主要内容分为三个部分:(1)锰氧化物薄膜中电流处理引起的非对称性输运;(2)Ag/La0.67Sr0.33MnO3界面可逆的电致电阻效应:(3)锰氧化物基p-n异质结的电、磁输运性质研究。所有的薄膜样品和异质结样品都是利用脉冲激光沉积技术在合适的单晶基片上外延生长制备的。利用x光衍射和原子力显微镜等测量手段对样品的结构和表面形貌等进行了表征。电、磁性质的测量主要是在装备了电性测量系统的SQUID(MPMS-7)上完成的。实验方法上侧重于对不同温度和磁场下I-V关系等输运性质的分析。通过本论文的研究我们得到了以下主要结果:
(1)锰氧化物薄膜中电流处理引起的非对称性输运
系统研究了强电流处理导致的锰氧化物薄膜的各向异性输运现象,证明上述效应是锰氧化物薄膜的本征行为,与电极和锰氧化物薄膜之间的界面无关。对于生长在SrTiO3基片上的各种锰氧化物薄膜,电致非对称输运行为普遍存在,与处理电流是否经过锰氧化物的居里温度以及处理前材料的行为无关。分析表明,电流处理前后薄膜的表面形貌不同,处理后的薄膜中出现了与处理电流方向有关的表面结构。笔者推测电流处理可能导致薄膜晶格结构或其它物理结构的变化,从而引起了非对称性输运。电致非对称性输运尽管和p-n结的整流行为有些相似,但是仔细的对比发现它们之间存在着很大的不同。非对称输运的物理机制值得深入探讨。此外,LaAlO3或MgO基片上的锰氧化物薄膜中不存在非对称性输运。
(2) Ag/La0.67Sr0.33MnO3界面可逆的电致电阻效应
研究了Ag和La0.67Sr0.33MnO3(LSMO)薄膜之间的接触电阻以及电脉冲处理对Ag-LSMO结构电阻的影响。发现表面粗糙的LSMO薄膜可与Ag电极形成高电阻的绝缘界面层。外加电场可以有效地调节Ag-LSMO的电阻。不同极性的电场分别对应于高和低的电阻状态,形成可逆的电致电阻效应(开关效应)。这种结构的I-V曲线是非线性的和不对称的,并且升、降电场测量得到的I-V曲线间有明显的迟滞,但都可以用公式I=σV+kVn很好地拟合。相比之下,表面光滑的LSMO薄膜与Ag电极之间的接触电阻很小,外加电场对Ag-LSMO结构的电阻几乎没有调制作用。上述结果表明薄膜表面形貌对于电致电阻效应至关重要。
(3)锰氧化物基p-n异质结的电、磁输运性质研究
系统研究了锰氧化物p-n异质结的电、磁输运性质。发现由高掺杂的SrTiO3基片和锰氧化物薄膜组成的异质结的电输运行为可用Newman方程I=Is0 exp(T/T0)exp(V/V0)很好地描述,表明隧穿过程是其主要的输运机制。对结的耗尽层厚度的分析进一步支持了这一结论。在此基础上研究了结的磁致电阻效应,发现磁场通过调节耗尽层的厚度来影响结电阻。异质结和相应锰氧化物薄膜的电阻和磁电阻随温度具有相似的变化规律。与已有报道不同,笔者发现电偏压对高掺杂异质结电阻的金属-绝缘体转变温度完全没有调制作用。此外,发现超薄(20 A)的锰氧化物层对结的输运性质也有非常重要的影响。