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Applied Physics
Vol.08 No.08(2018), Article ID:26266,9 pages
10.12677/APP.2018.88045

Tuning Structural and Magnetoresistance Properties of La0.7Sr0.3MnO3 Thin Films by Epitaxial Strains

Panpan Yao1*, Hongguang Dong2*#, Yi Luo1, Haizhong Guo1#

1School of Physical Engineering, Zhengzhou University, Zhengzhou Henan

2Higher Education Press, Beijing

Received: Jul. 17th, 2018; accepted: Jul. 30th, 2018; published: Aug. 6th, 2018

ABSTRACT

Structural, transport, magnetic, and magnetoresistance properties of the epitaxial La0.7Sr0.3MnO3 thin films on different substrates grown by pulsed laser deposition were investigated. The results of X-ray diffraction show that all the La0.7Sr0.3MnO3 thin films are epitaxial growth and at single phase, and the lattice parameter c changes with the epitaxial strain due to the lattice mismatch between the thin film and the different substrates. The results of the magnetization and the electrical transport measurements indicate that the La0.7Sr0.3MnO3 thin films grown on different substrates have different Curie temperature TC and metal-to-insulator transition temperature TR, respectively. Moreover, the resistivity ρ(T) and corresponding magnetoresistance of the La0.7Sr0.3MnO3 thin films change with the epitaxial strain. Our findings show that the epitaxial strain is a powerful tool for tuning the properties of the epitaxial thin films.

Keywords:La0.7Sr0.3MnO3 Thin Film, Pulsed Laser Deposition, Epitaxial Strain, Magnetoresistance

用外延应力来调控不同衬底上的La0.7Sr0.3MnO3薄膜的结构性质和磁电阻性质

姚盼盼1*，董洪光2*#，罗毅1，郭海中1#

1郑州大学物理工程学院，河南 郑州

2高等教育出版社，北京

收稿日期：2018年7月17日；录用日期：2018年7月30日；发布日期：2018年8月6日

摘 要

在这个工作中，我们研究了利用脉冲激光沉积技术在不同衬底上外延生长出La0.7Sr0.3MnO3外延薄膜的结构、输运、磁性、及磁电阻性质。用X射线衍射技术测量的结果表明在不同衬底上制备的La0.7Sr0.3MnO3薄膜是外延生长并且是单相的。La0.7Sr0.3MnO3薄膜的晶格常数c随由于薄膜与衬底的晶格失配引起的外延应力的变化而变化。磁性性质和电输运性质的测量结果分别表明不同衬底上的La0.7Sr0.3MnO3薄膜具有不同的顺磁–铁磁转变温度(居里温度TC)和金属–绝缘体转变温度(TR)。此外，不同衬底上La0.7Sr0.3MnO3薄膜的电阻率ρ(T)和磁电阻也随着外延应力而变化。我们的实验说明了外延应力是调控外延薄膜物性很有力的工具。

关键词 :La0.7Sr0.3MnO3薄膜，脉冲激光沉积，外延应力，磁电阻

Copyright © 2018 by authors and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

1. 引言

随着人类社会的发展和进步，科技界对材料科学和器件提出了越来越多新的要求。比如往往需要将具有电学、光学、磁学等完全不同物理性质的材料复合、集成在一起，从而开发出具有崭新性能的新型材料和器件。但传统半导体材料，由于物理性质较为单一，无法满足这种要求。而过渡金属氧化物具有比半导体材料更复杂的晶体结构、化学配比关系和价态变化、以及相图等，其内部还存在晶格/电荷/自旋/轨道等多个自由度之间的竞争耦合关系，因此也呈现出更为丰富的物理性质，从而有望满足并促进新一代微电子技术的要求与发展 [1] [2] 。尽管现今半导体器件仍然是电子器件的主流，这些具有快速、庞大响应及高电容特性的氧化物材料，通过对多种自由度，包括自旋、电荷、轨道、和晶格的调控而具有的多功能氧化物器件，将会是下一代理想器件。氧化物的研究不仅给自旋、电荷、轨道、晶格相互耦合体系赋予了新的意义，引起了基础凝聚态物理和材料科学的伟大进步，并且促进了关联电子体系的技术应用 [3] 。

现代高科技产业的发展，除了要求多种物性的交叉与组合外，还需要电子器件更加微型化、集成化。这就使得薄膜材料逐渐成为现在研究的热点。由于尺寸效应的影响，薄膜材料往往具有不同于其体材料的性质。在氧化物薄膜中，不同物性的氧化物外延生长在一起，一个晶体结构对另一个的影响能够改变界面处的原子位置、电子数量甚至电子电荷在原子周围的分布。由于维度降低，相应的特殊电子态被限制在尺度小于电子平均自由程的体系中，电子电荷/自旋/轨道/晶格之间的关联作用更加明显，因而导致氧化物界面上出现新奇的、与体材料的行为特征相关却又截然不同的新奇的物理性质和效应。

界面应力是凝聚态材料中调控晶体场能的主要手段之一。应力可以改变材料的晶格常数，可以展开能带中简并的能级，改变材料的电子结构，发生轨道重构、自旋–轨道耦合强度改变、电子–声子耦合强度改变等微观机制，实现诸如金属–绝缘体相变、顺电–铁电相变等宏观物理现象。因此应力是调控氧化物低维结构物性一种非常有效的手段。另一方面，过渡金属氧化物中，钙钛矿稀土锰氧化物以其超大的磁电阻值和丰富的物理内涵而备受瞩目。界面应力对锰氧化物低维结构的磁性影响巨大，在La0.9Sr0.1MnO3薄膜中可以通过应力来调控薄膜中Mn的电子轨道排列，从而改变磁性 [4] 。此外，在平行于La0.8Ba0.2MnO3薄膜界面方向的拉应力会导致其居里温度TC增大，而界面方向的拉应力会导致La0.8Sr0.2MnO3和La0.8Ca0.2MnO3薄膜的居里温度TC减小 [5] 。已经被证明衬底引起的拉应力和压应力会使La0.7Sr0.3MnO3薄膜的居里温度TC减小 [6] ，并且界面方向的应力也能够调控La0.7Sr0.3MnO3/Ba0.7Sr0.3TiO3超晶格的磁电性质 [7] 。更多的实验已经证实衬底引起的应力会影响外延锰氧化物薄膜的磁各向异性、电阻率和居里温度TC [8] [9] [10] [11] [12] 。另外，通过氧空位也能够调控La2/3Sr1/3MnO3外延薄膜的磁性和输运性质 [13] 。

虽然前期有许多用应力来调控锰氧化物低维结构的性质的报道，但是更系统的用界面应力(包括从张应力逐渐变到压应力)对超薄锰氧化物薄膜(50个原胞层厚，~17 nm)的物性调控的报道还没有。在本工作中，我们使用脉冲激光沉积技术在不同的衬底上(不同的晶格常数)生长出具有不同外延应力(从张应力到压应力)的高质量的La0.7Sr0.3MnO3 (LSMO)超薄外延薄膜，薄膜厚度为50个原胞层厚，~17 nm。探究不同的外延应力对LSMO薄膜的晶格结构、输运、磁性及磁电阻性质，揭示应力对氧化物薄膜的晶格结构、输运性质、磁性及磁电阻性质的影响，进一步揭示LSMO薄膜中自旋/晶格/电荷/轨道等自由度之间的相互作用，并探索用外延应力调控氧化物薄膜物性的途径。我们的实验说明了LSMO外延薄膜的晶格常数取决于薄膜下面的衬底(晶格常数不同)。磁化M(T)曲线表明不同衬底(外延应力不同)上的LSMO薄膜具有不同的顺磁–铁磁转变温度TC。电阻率ρ(T)曲线表明不同衬底上的LSMO薄膜具有不同的金属–绝缘体转变温度TR，即外延应力能够调控LSMO薄膜的电阻率ρ(T)。MR(T)曲线表明不同衬底上的LSMO薄膜有不同的磁电阻，即外延应力能够调控LSMO薄膜的磁电阻。最终结论是我们的实验说明了外延应力是调控外延薄膜物性很有力的工具，以便我们能够更好的利用外延应力来调控超薄氧化物外延薄膜的物理性质和功能，为功能氧化物低维结构材料的应用打下基础。

2. 实验结果及讨论

我们利用脉冲激光沉积技术在不同衬底上生长出高质量的LSMO外延薄膜，单晶衬底分别为LaAlO3 (LAO, ac = 3.789 Å)、(LaAlO3)0.29(Sr0.5Al0.5TaO3)0.71(LSAT, ac = 3.867 Å)、SrTiO3 (STO, ac = 3.903 Å)、DyScO3 (DSO, ac = 3.937 Å)、BaTiO3 (BTO, ac = 3.990 Å)、(PbMg0.33Nb0.67)1-x：(PbTiO3)x (PMN-PT, ac = 4.019 Å)和MgO (ac = 4.209 Å)，其中ac是其赝立方晶格常数。此外，LSMO块材具有三角晶体结构，其赝立方晶格常数ac = 3.894Å。如图1所示，把块材LSMO的平面内晶格常数和不同氧化物衬底之间的晶格常数相比较，并计算出其两者之间的由于晶格失配引起的应力。从图1可以看出，随着衬底晶格常数的增大，外延应力压应力逐渐变小，然后变为张应力，并且张应力随着晶格常数增大而增大。例如LSMO外延在LAO (ac = 3.789 Å)和LSAT (ac = 3.867 Å)上受到压应力的作用，分别为−2.67%和−0.59%。随着衬底晶格常数增大，逐渐变为张应力，在STO、DSO、BTO、PMN-PT、和MgO上分别为0.33%、1.19%、2.50%、3.20%和7.60%。

在利用脉冲激光沉积技术制备薄膜的过程中，氧气压和衬底温度分别为5 Pa、600℃。薄膜生长时，用高能电子衍射(RHEED)观察到大概每12脉冲制备一个原胞层厚的LSMO薄膜，共生长50个原胞层厚度(50.u.c.)，即LSMO薄膜厚17 nm。在沉积结束后，LSMO薄膜在950℃下通氧气退火5小时。

我们用上海光源的同步辐射X射线衍射技术(X-ray diffraction, XRD)来测量LMSO薄膜的晶格质量和晶格结构。图2(a)~图2(g)显示了不同衬底上LSMO薄膜的XRD θ-2θ扫描结果，插图显示LSMO薄膜与STO衬底(013)面的Φ扫描结果。从图2看出，除了衬底和薄膜的(00l)衍射峰，并没有发现有杂质峰或者其它相的衍射峰，表明了在不同衬底上的LSMO薄膜是外延生长并且是单相的。另外，我们发现LSMO薄膜的衍射峰在衬底(LAO, LSAT)衍射峰的左边，其原因在于LSMO薄膜受到衬底的压应力；LSMO薄膜的衍射峰在衬底(STO, DSO, BTO, PMN-PT, MgO)衍射峰的右边，其原因在于LSMO薄膜受到衬底的拉应力。由于薄膜与衬底的晶格失配引起的外延应力，LSMO薄膜的晶格常数c随外延应力变化而变化(如图3(b)所示)。正如图3(b)所示，当LSMO薄膜受到压应力(LAO和LSAT衬底上)时，其c轴晶格常数增大；当LSMO薄膜受到拉应力时，其c轴晶格常数减小。所以我们可以得到外延薄膜的晶格常数取决于薄膜下面的衬底 [9] [14] 。另外，我们用球差校正扫描透射电镜(STEM)对在STO衬底上生长的LSMO薄膜进行了表征，如图3(a)所示。从图3(a)可以看出，从图中可以看出，LSMO/STO界面非常明锐清晰，没有位错、杂相等缺陷存在，揭示了我们制备的薄膜和衬底是外延的，晶体质量非常好。

为了进一步研究不同衬底上LSMO外延薄膜的输运和磁性等性质，我们用物性综合测试系统(PPMS)分别测量了磁化强度、电阻率ρ(T)和磁电阻随温度变化的关系。图4(a)~图4(f)显示了不同衬底上LSMO

Figure 1. Comparison of pseudo-cubic, in-plane lattice parameter of LSMO with various oxide substrates

图1. LSMO与多种氧化物衬底的赝立方、平面内a轴晶格常数的比较

Figure 2. The results of XRD θ-2θ scan of LSMO thin films grown on different substrates (a)~(g). The inset shows the result of (013) Φ-scan of LSMO thin film grown on STO substrate

图2. (a)~(g)不同衬底上LSMO薄膜的XRD θ-2θ扫描结果，插图表示LSMO薄膜与STO衬底(013)面的Φ扫描结果

Figure 3. The STEM micrograph of LSMO thin film grown on STO substrate (a). c-axis lattice constants of the LSMO thin films are deduced from the XRD data (b). The dashed line indicates the lattice constant of the bulk LSMO

图3. (a) STO衬底上生长的LSMO薄膜的STEM图像。(b)利用XRD数据推导出LSMO薄膜的c轴晶格常数。虚线表示块材LSMO的晶格常数

薄膜的在加磁场冷却(实心圆)和零磁场冷却(空心圆)的磁化M(T)曲线，插图表示T = 10 K下的不同衬底上LSMO薄膜的磁滞回线，图4(g)表示衬底DSO的磁化M(T)曲线。从图4(a)~图4(f)中我们可以看到LSMO薄膜从高温到低温过程中发生铁磁–顺磁相变(相变温度TC)。低温时，场冷却下的磁化强度曲线和零场冷却的曲线分离，并且比零场冷却的大，原因在于LSMO薄膜中存在着自旋玻璃态。另外，从图4(d)中我们可以看到在T = 200 K处，LSMO薄膜的磁化存在跳变，原因在于BTO衬底发生三斜到四方的结构相变。然而，在图4(g) DSO衬底上，我们没有测量出LSMO薄膜的磁化强度，原因在于衬底DSO具有较大的磁性 [14] 。图4(h)显示了LSMO薄膜的TC和饱和磁矩随晶格失配的变化曲线。

图5(a)~图5(g)显示了不同衬底上LSMO薄膜的电阻率ρ(T)曲线，黑线、红线和蓝线分别表示在外加磁场H = 0 T、3 T和5 T下的电阻率ρ(T)曲线，其磁场垂直于薄膜表面。图5(h)表示LSMO薄膜的金属–绝缘体相变温度TR随晶格失配的变化曲线。从图5(a)~图5(g)中我们可以看到在TR出发生金属–绝缘体相变，温度低于TR时，电阻率随着温度的升高而增加，呈金属性；温度高于TR时，电阻率随温度的升高而减小，呈绝缘体性质。在较高温度区域，相同温度下的电阻率随外加磁场的增大而减小，原因在于外加磁场使其电子自旋规则排列从而减小散射。另外，也可以看到在相同的外加磁场下，不同衬底上LSMO薄膜的电阻率ρ(T)变化不同，原因在于LSMO薄膜受到的应力不同，其电阻率变化也不同。我们的实验说明了外延应力能够调控LSMO薄膜的电阻率ρ(T)。

图6显示了不同衬底上LSMO薄膜的MR(T)曲线，红线和蓝线分别表示在磁场强度H = 3 T和5 T下的MR(T)曲线。从图6中我们可以看到在相同的外加磁场及等温度下，不同衬底上LSMO薄膜的磁电阻变化是不同的，原因在于LSMO薄膜受到的应力不同，其磁电阻变化也不同。因此，我们的实验说明了外延应力是调控薄膜性能很有力的工具。另外，图6(e)中，BTO衬底上生长的LSMO外延薄膜，其MR(T)曲线与其他的MR(T)曲线明显不同，原因在于BTO衬底在T = 200 K处发生三斜到四方的结构相变，曲线有个很大的跳变，不是很平滑的曲线。在计算MR(T)时候造成了其MR(T)曲线出现了很大的跳变，因此和其它样品的曲线有很大的区别。

最后，在表1中我们总结了不同衬底上LSMO薄膜的c轴晶格常数、TC、饱和磁矩、TR和MR5(%)的变化。

3. 总结

本工作主要内容是使用脉冲激光沉积技术在不同的衬底上生长出具有不同外延应力的高质量的

Figure 4. The FC (solid symbols) and ZFC (open symbols) temperature-dependent magnetization M(T) curves of LSMO thin films on various substrates (a)~(f). The insets show the hysteresis loops of LSMO thin films on different substrates under T = 10 K. Figure 4(g) shows temperature-dependent magnetization M(T) curves of DSO substrate. Figure 4(h) shows TC and Moment of LSMO thin films as a function of lattice mismatches

图4. (a)~(f)表示不同衬底上LSMO薄膜的场冷却(实心圆)和零场冷却(空心圆)的磁化M(T)曲线，插图表示T = 10 K下的不同衬底上LSMO薄膜的磁滞回线。图4(g)表示衬底DSO的磁化M(T)曲线，图4(h)表示LSMO薄膜的TC和饱和磁矩随晶格失配的变化

LSMO外延薄膜。研究LSMO薄膜的晶格结构、输运、磁性及磁电阻性质，揭示应力对氧化物薄膜的晶格结构、输运性质、磁性及磁电阻性质的影响，进一步揭示LSMO薄膜中自旋/晶格/电荷/轨道等自由度

Figure 5. Resistivity ρ(T) curves of LSMO films on various substrates (a)~(g). The black、red and blue line indicate resistivity ρ(T) curves at H = 0 T、3 T and 5 T, respectively. Figure 5(h) shows TR of LSMO thin films as a function of lattice mismatches

图5. (a)~(g)不同衬底上LSMO薄膜的电阻率ρ(T)曲线，黑线、红线和蓝线分别表示在磁场强度H = 0 T、3 T和5 T下的电阻率ρ(T)曲线。图5(h)表示LSMO薄膜的TR随晶格失配的变化

Figure 6. The MR(T) curves of LSMO thin films on various substrates, the red and blue line indicate MR(T) curves at H = 3 T and 5 T, respectively

图6. 不同衬底上LSMO薄膜的MR(T)曲线，红线和蓝线分别表示在磁场强度H = 3 T和5 T下的MR(T)曲线

Table 1. Summary of the LSMO thin films grown on different substrates

表1. 不同衬底上LSMO薄膜的总结

之间的相互作用，并探索用外延应力调控氧化物薄膜物性的途径。我们的实验说明了外延应力是调控外延薄膜物性很有力的工具。

文章引用

姚盼盼,董洪光,罗毅,郭海中. 用外延应力来调控不同衬底上的La0.7Sr0.3MnO3薄膜的结构性质和磁电阻性质
Tuning Structural and Magnetoresistance Properties of La0.7Sr0.3MnO3 Thin Films by Epitaxial Strains[J]. 应用物理, 2018, 08(08): 353-361. https://doi.org/10.12677/APP.2018.88045

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