Pr0.5Ba0.1Sr0.4MnO3外延薄膜的電磁性能

楊少波

(北京印刷學(xué)院,北京 102600)

Pr0.5-xYxSr0.5Mn和Pr0.5Sr0.5-xCaxMn被發(fā)現(xiàn)在升溫過程中都經(jīng)過了反鐵磁—鐵磁轉(zhuǎn)變(在奈耳溫度TN處)和鐵磁—順磁轉(zhuǎn)變(在居里溫度TC處),并且在較高磁場(chǎng)作用下(5-7T)在這兩個(gè)轉(zhuǎn)變處都出現(xiàn)了一定龐磁電阻(CMR)效應(yīng),但實(shí)際上兩種CMR效應(yīng)都是非常微弱的。也正因如此,這種現(xiàn)象一直沒有得到足夠的重視。如果某種材料能夠在較低磁場(chǎng)中同時(shí)具有兩種比較明顯的CMR效應(yīng),不論是物理內(nèi)涵還是在磁電子領(lǐng)域的應(yīng)用,都 是 非 常 豐 富 的。2010 年P(guān)r0.5Ba0.1Sr0.4Mn被發(fā)現(xiàn)在較低外加磁場(chǎng)中(0.5T)能夠出現(xiàn)比較明顯的CMR效應(yīng),但究竟是材料的本征效應(yīng)還是來源于晶界的散射尚需進(jìn)一步研究。為此我們用脈沖激光沉積方法(pulsed laser deposition,PLD)制備了Pr0.5Ba0.1Sr0.4MnO3外延薄膜。

1 Pr0.5Ba0.1Sr0.4MnO3外延薄膜的制備

本次實(shí)驗(yàn)采用三軸取向的單晶(100)LaAIO3(LAO)作為基片,先用無水酒精超聲清洗基片3次,每次20分鐘。再將其置于PLD系統(tǒng)的真空腔內(nèi)后抽真空達(dá)到1.0×10-3Pa以下,通入純氧,當(dāng)氧氣達(dá)到50Pa開始沉積薄膜。薄膜生長(zhǎng)速率約100nm/min,薄膜最后厚度約3000nm。因?yàn)椴煌练e溫度時(shí)薄膜可能有不同取向[4],所以我們?cè)?00℃～800℃的不同沉積溫度制備了多種薄膜。這些樣品的X射線θ-2θ掃描和φ掃描結(jié)果如圖1所示。結(jié)果顯示,只有在沉積溫度為740℃才能得到真正的三軸定向外延(單晶)薄膜。

圖1 Pr0.5Ba0.1Sr0.4MnO3外延薄膜的X射線θ-2θ掃描和φ掃描

2 Pr0.5Ba0.1Sr0.4MnO3外延薄膜的電磁性能

為研究Pr0.5Ba0.1Sr0.4MnO3外延薄膜的電學(xué)性能(ρ-T曲線)、磁學(xué)性能(M-T曲線)及其內(nèi)在聯(lián)系,在超導(dǎo)量子干涉儀上測(cè)量磁化強(qiáng)度—溫度曲線(M-T曲線)。此時(shí)由于誤差原因不能測(cè)零場(chǎng)MT,必須外加一小磁場(chǎng)(5mT)。然后在薄膜表面上用導(dǎo)電銀膠均勻、平行地粘上四個(gè)鍍銦電極,用標(biāo)準(zhǔn)的四端法在同一臺(tái)超導(dǎo)量子干涉儀上測(cè)得電阻—溫度曲線(ρ-T曲線)。先零場(chǎng)降溫到5K,然后外加磁場(chǎng),從5K逐步升溫到300K,步長(zhǎng)為2K。磁場(chǎng)分別為0T、0.2T。

Pr0.5Ba0.1Sr0.4MnO3外延薄膜的M-T曲線如圖2所示。從圖中可以看出,當(dāng)溫度從5K增加到300K的過程中,樣品先在奈耳溫度TN處由反鐵磁態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁狀態(tài)。然后在居里溫度TC處轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾艖B(tài)。TN和TC定義為M-T曲線的左、右拐點(diǎn),此處|dM/dT|取極大值[4]。在0.2T時(shí),樣品的TN為137K,TC為272K;在5mT時(shí),TN和TC分別為133K和264K。

圖2 Pr0.5Ba0.1Sr0.4MnO3外延薄膜的M-T曲線

Pr0.5Ba0.1Sr0.4MnO3外延薄膜的ρ-T曲線如圖3所示。對(duì)比M-T曲線和ρ-T曲線,可以清楚地看出,對(duì)應(yīng)于M-T曲線上在奈耳點(diǎn)發(fā)生的反鐵磁—鐵磁轉(zhuǎn)變,在ρ-T曲線上相應(yīng)地發(fā)生了絕緣體—半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變;隨著溫度繼續(xù)升高到大約230-240K時(shí),樣品由半導(dǎo)體變成了金屬;再升高溫度到居里點(diǎn)時(shí),對(duì)應(yīng)于M-T曲線上的鐵磁-順鐵磁轉(zhuǎn)變,在ρ-T曲線上相應(yīng)地發(fā)生了金屬—半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變。也就是說,在從4K到300K的升溫過程中,樣品先在奈耳點(diǎn)由反鐵磁絕緣體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁半導(dǎo)體,再轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁金屬,最后在居里點(diǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾虐雽?dǎo)體。

圖3 Pr0.5Ba0.1Sr0.4MnO3外延薄膜的ρ-T曲線

需要注意的是,在奈耳點(diǎn)時(shí),樣品不是直接由反鐵磁絕緣體轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁金屬,而是先轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁半導(dǎo)體,然后再轉(zhuǎn)變?yōu)殍F磁金屬。這樣就在一段溫區(qū)內(nèi)(TN

根據(jù)前面測(cè)得的ρ-T曲線和計(jì)算磁電阻的公式:

得到了樣品的磁電阻—溫度曲線(MR-T)如圖4所示。

圖4 Pr0.5Ba0.1Sr0.4MnO3外延薄膜的MR-T曲線

從圖4中可以看出,對(duì)應(yīng)于反鐵磁—鐵磁轉(zhuǎn)變和鐵磁—順磁轉(zhuǎn)變,在TN和TC處存在著兩個(gè)非常突出的磁電阻峰。在比較小的外加磁場(chǎng)(0.2T)下,樣品在TN處的磁電阻達(dá)到了約55%,在TC處的磁電阻約為15%,表現(xiàn)出了非常強(qiáng)的磁電阻效應(yīng)。與以前對(duì)Pr0.5-xBaxSr0.5MnO3多晶塊材的研究[3]比較,外延薄膜顯示出了更強(qiáng)的CMR效應(yīng)。說明在多晶塊材中晶界對(duì)CMR效應(yīng)有一定的抑制作用。

3 結(jié)語(yǔ)

在本實(shí)驗(yàn)中,制備了Pr0.5Ba0.1Sr0.4MnO3外延薄膜,研究了它們的電磁性能。結(jié)果表明,相對(duì)于Pr0.5Ba0.1Sr0.4MnO3多晶塊材,外延薄膜在更低外加磁場(chǎng)作用下,在奈耳點(diǎn)和居里點(diǎn)同時(shí)表現(xiàn)出更為強(qiáng)烈的龐磁電阻效應(yīng),真正體現(xiàn)出了半摻雜鈣鈦礦錳氧化物兩種CMR效應(yīng)共存的特點(diǎn)。