锰基稀土氧化物薄膜材料电输运性能与激光感生热电电压效应的研究

Manganese rare earth oxide is extensively studied owing to its characteristic colossal magnetoresistance effect and metal-insulator transition property. However, the effect of the competition of quantum order on the properties of the material doesn’t get much explanation. For the CMR material La1-x(Ca,Sr)xMnO3 with laser induced thermalelectric voltage (LIV) effect，the relationship between the crystal structures and the anisotropic transport properties is not clear yet. This project is focused on the study of the LIV effects and electrical transport properties of the La1-x(Ca,Sr)xMnO3 materials under different condition. The research of this project includes: (1) The epitaxial thin films with different Ca, Sr contents will be grown on different substrates. The effect of the crystal structure on the electrical transport properties and LIV will be studied. Furthermore the mechanism of the anisotropic transport properties of the materials will be investigated; (2) For the thin film materials, the behavior of the electrical transport properties and LIV effect around the phase transition temperature will be investigated by tuning the temperature and magnetic field. The anisotropic transport properties at different phase condition or mixed phases condition will be studied. The mechanism of the phase transition will be studied. The research results will strengthen the understanding for the physical connotation of the thermalelectric effect, magnetoresistance and metal-insulator transition property and therefore have important scientific meaning.

锰基稀土氧化物由于其独特的磁阻和金属-绝缘体相变等性能而被广泛研究，但是材料中各类量子序的竞争如何影响材料宏观性质尚无很好的理解。对于具有激光感生热电电压效应（LIV）的庞磁阻La1-x(Ca,Sr)xMnO3材料，其材料结构与输运性质各向异性的关系尚无充分的物理解释。本项目将重点研究不同条件下La1-x(Ca,Sr)xMnO3薄膜材料的LIV效应和电输运性质。项目的研究内容主要包括：⑴制备生长在不同衬底上的Ca、Sr含量变化的外延薄膜材料，研究薄膜材料的晶体结构对电输运性能和LIV效应的影响，从机理上研究材料电输运性能的各向异性；⑵通过温度和磁场调节，获得薄膜材料相变点附近的电输运性能和LIV效应的变化情况，从而研究在不同相或混合相条件下材料输运性质的各向异性，探讨材料相关的相变机理。研究结果将加强对相关材料热电性能、磁阻性能和金属绝缘体相变的物理内涵的理解，有着重要的科学意义。

钙钛矿锰氧化物La1-x(Ca,Sr)xMnO3系列材料有着丰富的物理性能，如巨磁阻效应、电荷有序、相分离和金属-绝缘体转变等，使其在磁存储器、磁探测器、红外探测器等方面有着潜在的应用。但这类材料依然存在很多问题如电阻温度系数（TCR）低、金属-绝缘转变温度（Tp）低于室温等，严重限制了它的进一步应用。因此，在陶瓷和薄膜材料在制备工艺及元素掺杂等方面，仍需要进一步的探究。.本项目首先通过改变溶剂、预烧温度、终烧温度等，采用溶胶-凝胶法制备了La0.67Ca0.33MnO3系列多晶靶材，确定最佳的烧结工艺。通过改变Ca掺杂量、Ag添加量等变量制备的有较高性能的锰氧化物多晶陶瓷，在机理上研究了不同材料体系和掺杂元素对材料电输运性能的影响。研究发现，适量的Ag的掺杂有利于材料电学性能的提高。项目探讨了工艺变化及银惨杂对材料输运性能变化的影响机制。.在La0.67Sr0.33Mn¬O3多晶材料的基础上，研究了稀土元素掺杂对材料电学性能的影响。随着元素(Nd、Sm、Dy等)掺杂量的增加，电阻率增大，Tp减小，TCR不断增大。对La1-xCaxMnO3体系进行Li，Na，K掺杂研究，研究了材料的结构、微观形貌和电输运性能。.选用La1-xCaxMnO3:Ag0.2（x=0.28, 0.3, 0.33）作为镀膜靶材，采用脉冲激光沉积法，通过改变薄膜生长条件，确定了制备薄膜的最佳工艺。对于La0.67Ca0.33MnO3:Ag0.2，改变后退火气氛和后退火时间，发现后退火处理明显提高了薄膜的电学性能，在1200℃温度下，氧气气氛中退火3小时是较好的后退火工艺。.研究发现，选择La0.67Ca0.33MnO3:Ag0.2作为镀膜靶材，通过对薄膜进行原位退火处理，在失配度较小的(LaAlO3)0.3-(Sr2AlTaO6)0.7衬底上生长的薄膜具有更高的TCR。生长在倾斜衬底角度较大的压应力薄膜具有更强的激光感生电压（LIV）信号和较高的Tp，而处于拉应力下的薄膜性能较差。当衬底倾斜角度为15°时，峰值电压达到1.74V。在一定激光能量范围内，薄膜的Up随着激光能量线性增加。所有系列薄膜都存在一个最佳厚度，此厚度下峰值电压最高。.项目完成了对La1-x(Ca,Sr)xMnO3系列材料的制备及性能研究和相关物理机理研究，进一步探知了此类材料电输运性能和激光感生热电压效应及相关物理机理。