LSMO/PST磁电复合薄膜的生长控制及其磁电容效应研究

Recently,exploration of new materials with excellent magnetocapacitance effect at room temperature and the magnetocapacitance physical mechanism have become research hotspots. Lanthanum Strontium Manganite(LSMO) thin films possess magnetoresistance and magnetostriction at low magnetic field, additionally, the Curie-temperture of LSMO is above room temperature. Strontium lead titanate (PST) thin films show excellent electric polarization effect and the Curie-temperature can be adjusted in wider temperature range near room temperature.Therefore, the growth of a new magnetoelectric composite thin film LSMO/PST is hopeful to realize excellent magnetocapacitance in wider temperature range near room temperature. In this project, the method of chemical solution deposition is adopted to grow LSMO/PST composite thin film. The preferential orientation of the heterostructure thin films can be realized by controlling the interface of LSMO/PST. A series of LSMO/PST films with certain dielectric polariation and magnetic order can be obtained by varing the ratios of Pb/Sr and La/Sr and optimizing growth process. The relationship between dielectric polarization, magnetic order, interface properties and magnetoelectric effects will be investgated. Based on Catalan's theory, the magnetocapacitance physical mechanism of the 2-2 type magnetoelectric composite thin films will be discussed deeply by considering simultaneously the magnetoelectric effect,the magnetoresistance effect, the interface microstructure etc. of LSMO/PST thin film. These investigations can be expected to promote the development of multi-function and practical application of devices.

探索室温下具有显著磁电容效应的新型磁电复合薄膜材料体系，揭示磁电容效应的物理机制是当前一个研究热点。镧锶锰氧（LSMO）具有磁致伸缩效应和低场磁电阻效应,而且其居里温度高于室温；钛酸锶铅(PST)具有优异的电极化效应，且居里温度在很宽范围内连续可调，因此构筑LSMO/PST新型磁电复合薄膜，可望获得在室温附近较宽温度范围内大的磁电容。本项目拟采用化学溶液法，通过调控界面特性，实现LSMO/PST异质薄膜的取向生长；改变Pb/Sr和La/Sr比，优化生长工艺，调控PST的电极化强度和LSMO的磁有序度；深入研究电极化强度、磁有序度、界面特性与LSMO/PST复合薄膜磁电性能的关联性。提出同时考虑LSMO/PST的磁电耦合效应、磁电阻效应和界面微结构等多种因素，结合Catalan的理论，研究并揭示2-2型磁电复合薄膜磁电容效应的物理机制，该项研究对促进器件多功能化和实用化发展具有积极的意义。

项目背景/科学意义：外磁场引起材料电容或介电常数的变化称为磁电容效应，材料的电容或介电常数对外磁场的敏感性，为传统器件设计提供了一个额外的自由度，利用磁电容效应，可研制磁场传感器、介电驱动器、自旋—电荷转换器和可调滤波器件等，在微波通信、信息、计算机、航空航天等领域有着潜在的重要应用前景。目前国际上研究的磁电复合薄膜材料体系均无法在室温附近较宽的温度范围获得稳定的磁电容效应 ，而且磁电容值大多不高 。这不仅给开展相关基本科学问题的研究带来了困难，而且也大大限制了磁电容效应应用的可能性。探索室温下具有显著磁电容效应的新型磁电复合薄膜材料体系，揭示磁电容效应的物理机制是当前一个研究热点。该项研究对促进器件多功能化和实用化发展具有积极的意义。由于信息技术、通信技术的迅速发展以及器件多功能化和小型化的发展趋势，在硅基底上制备铁磁/铁电复合薄膜具有重要的研究意义和广阔的应用前景。.主要研究内容：.(1) LSMO/PST 磁电复合薄膜的生长控制.(2) LSMO/PST磁电复合薄膜的电学/磁学特性与微结构之间的关联性.(3) LSMO/PST磁电复合薄膜的磁电容随温度、磁场、电场等物理场的演变规律.(4) 2-2 型磁电复合薄膜磁电容效应的物理机制.重要结果和关键数据: .(1) 获得了宽温度范围内显著的、稳定的磁电阻效应。.设计和生长出新型锰类氧化物薄膜，Si/LSMO/LCMO双层薄膜的MR在5 K至230 K温度范围内表现出良好的温度稳定性，磁电阻值介于-20 %至-18 %之间。Si/LCMO/LSMO双层薄膜具有良好的导电性，室温下电阻率为0.11 Ω·cm，并且在室温附近较宽温度范围内(240 K至340 K)可获得较大且稳定的MR (-10%)。. (2) 室温下获得了显著的磁电容效应，文献报道最高值，揭示2-2 型磁电复合薄膜磁电容效应的物理机制。.构筑生长出Si/LSMO/LCMO/PST和Si/LCMO/LSMO/PST新型磁电复合薄膜，调控界间结构，有效地提高磁电复合薄膜的室温磁电容效应，MC可达29.5 %（@1 kHz）。基于Catalan理论和Maxwell-Wagner模型， 2-2 型磁电复合薄膜磁电容效应主要来源于铁磁层磁电阻效应。