双钙钛矿结构镧钡钴氧外延薄膜的磁学与输运特性研究

Highly epitaxial single-phase Lanthanum Barium cobalt Oxide (LBCO) thin films with different A-site cation distribution (ordered,disordered or nano-order) will be achieved on selected substrates by designing and optimizing the growth conditions..The relationships between the phase structure and the low temperature magnetic and transport properties of the LBCO thin films will be revealed by using transmission electron microscopy, X-ray diffraction and physical property measurement system. The single-phase LBCO thin films on different substrates will be used to further analysis the stain effect on low temperature magnetic and transport properties. Furthermore, we will study the microstructure and low temperature physical properties of the engineered mix-phase LBCO thin films which the different phase rate can be adjusted. Moreover, by strain adjusting on the engineered mix-phase LBCO thin films, the optimized physical properties can be obtained. Our efforts on this research will pave the road to the achievement of the LBCO based electronic elements.

本项目通过对镧钡钴氧(LBCO)薄膜工艺参数的摸索和控制，实现单一相结构的LBCO薄膜材料的制备，揭示镧离子和钡离子有序排列、无序排列和局域有序排列相结构的LBCO薄膜的低温磁学和电输运性质的基本规律和物理机制。以不同基片上单一相结构的LBCO薄膜材料为出发点，探讨应力对薄膜微结构、磁学和电输运性质等的影响及相关的物理机制。在此基础之上，探讨具有比例可控的混合相结构LBCO薄膜材料的微结构和低温物理特性，并通过应力调节,实现对LBCO 薄膜材料性能的优化可控，为将来利用这种材料开发新器件提供必要的理论和实验依据。

钙钛矿结构的混合离子/电子导体材料因其在多种器件研制上具有非常大的应用潜力，如分隔膜、催化剂、高敏感度的化学传感器和固体燃料电池的电极等，成为近些年来人们关注的研究热点。尤其是钴基钙钛矿结构的氧化物材料得到了各国学者和工程师更大的研究兴趣，因为这类材料不但具有极佳的混合导电性质和催化能力，而且表现出奇特的磁学和电输运性质。对于(La,Ba)Co2O5.5+d (LBCO)的研究，主要集中在块体材料方面的研究，对于LBCO薄膜材料方面的研究却非常少。..通过脉冲激光沉积方法制备了高质量的外延镧钡钴氧薄膜。通过不同基片、不同厚度与同一基片不同方向上的晶格失配来调控薄膜的界面应力状态，进而对LBCO薄膜的电输运特性进行调控。研究发现：1）通过不同基片的应力调控，可以使磁电阻值提高到44%，是块体材料的5倍；2）通过面内不同晶格常数的（110）NdGaO3基片，可以实现面内的半导体性质向金属特性的转变；3）通过将LBCO沉积在不同错切的钛酸锶基片与镧锶铝钽氧基片上面发现，基片表面台阶宽度可以对薄膜的应力状态进一步的进行调控作用，从而进一步达到电输运性质的调控作用；4）通过不同厚度的调控，发现在MgO基片上面存在一个过渡层（大概在5纳米左右），从而可以解释超薄薄膜的奇异电输运特性。该研究方向的工作已在ACS Applied Materials & Interface， Applied Physics Letter等国际具有影响力的期刊上发表学术论文6篇。..LBCO薄膜在375度的空气环境下，可检测到低至10 ppm的乙醇蒸汽浓度，并对不同的乙醇浓度的响应具有非常好的可靠与可重复性。基于LBCO薄膜的快速响应，作为p型气体传感器，其性能优于n型氧化物半导体薄膜和某些纳米线、纳米棒。该工作发表在国际著名期刊Scientific Reports上。同时，发现LBCO在极低的还原气氛下1，在500-2500nm的宽波长范围内透过率可增加5倍以上。因此，LBCO薄膜在发展电阻与光学气敏传感器上有巨大的发展潜力。..在制备氧化物薄膜时，氧空位缺陷是无法避免的。申请人首次利用氧空位缺陷，实现了氧空位缺陷有序诱导外延镧钡钴氧铁磁薄膜室温多铁性，开辟了利用缺陷工程实现多铁性的可能，为开拓其他材料的多功能性和智能电子元器件提供了丰富的实验依据与理论指导，该项研究成果已获批美国专利1项。