庞磁电阻锰氧化物薄膜的激光辐照效应及其物理机理研究

本课题提出一种基于激光辐照快速改善庞磁电阻锰氧化物薄膜的结构和性能的方法。由于激光功率密度高，可使庞磁电阻锰氧化物薄膜快速升温并引起微结构和氧含量的变化。整个辐照过程只需极短时间(约几十秒)，薄膜微结构和氧含量的改变会导致其磁电性能的变化，由此可以通过调控激光辐照参数来快速优化庞磁电阻锰氧化物薄膜的性能。同时，通过调整激光辐照工艺参数，系统研究薄膜微结构及氧含量的演变与其磁电特性变化的内在关联。在此基础上，建立激光与掺杂稀土锰氧化物薄膜的热作用模型。通过物理机理研究，为快速优化和改善庞磁电阻锰氧化物薄膜的性能提供科学依据。同时，也为研究新型庞磁电阻材料及其工业应用开辟新思路。

利用脉冲激光沉积技术在LaAlO3和SrTiO3单晶基片上成功制备了外延生长的La0.67Ca0.33MnO3(LCMO)和La0.67Ba0.33MnO3(LBMO)薄膜，并对其进行了激光辐照研究。研究发现，在激光功率为80-120W，辐照时间20-60秒时，可以增强薄膜结晶状态，改善薄膜的微结构和氧含量，从而调控薄膜的磁电特性，是薄膜的电阻率剧烈减小，同时Tc和Tp增大。另外，借由激光辐照的特性，实现了低温(400-500℃)生长La0.67Ca0.33MnO3和La0.67Ba0.33MnO3薄膜。研究发现，激光辐照可以减少和改善低沉积温度下制备的薄膜的结构缺陷和氧空位，从而提高薄膜的磁电性能。在激光辐照后， LCMO和LBMO薄膜磁化强度大幅增加，电阻率剧烈下降至0.14 mΩ cm和0.63mΩ cm，同时前者的TC和TP分别为250 K和259K，后者的TC和TP分别为295和303K，并且磁电阻也分别达到了59.2%(246K)和19.9%(300K)。同时，成功制备了La1-xSbxMnO3(x≤0.1)和La1-xPrxMnO3陶瓷及薄膜。实验结果表明薄膜呈取向生长，并具有良好的庞磁电阻效应，其中 La0.8Pr0.2MnO3薄膜的磁电阻比率大约为 1.8×103。对La0.9Sb0.1MnO3的电子自旋共振谱(ESR)分析显示，样品在较宽的温区内多相共存。此外，在单晶Si(001)基片上直接生长了La0.67Ba0.33MnO3薄膜，XRD图显示LBMO/Si薄膜为(00l)方向增强的多晶薄膜；首次运用小极化子变程跃迁模型 ρ(T)=ATexp[(Em/kBT)+(T0/T)1/4] 解释了薄膜的高温输运特性，实验结果与理论拟合相一致，低温输运曲线的“上翘”具有半导体热激活输运特性。LBMO/Si多晶薄膜具有低场磁电阻效应，低温下的磁电阻超过了40%，在室温附近的磁电阻也达到了17%以上。