Cr半杂YMnO3外延薄膜制备表征及多铁性研究-凝聚态物理专业毕业论文.docx

摘要摘要 摘要 摘要 近年来，正交锰氧化物o．AMn03由于其多铁性而受到广泛关注。同时，我 们注意到大多数的o．AMn03都具有共线或者非共线的反铁磁基态，导致宏观上 表现出的净余磁矩非常小。因此，虽然外加磁场可以调整该类材料中的铁电极化， 但电场却很难改变磁性的外在表现。所以，从实际应用的观点出发，o．AMn03 中宏观磁性的提升是非常值得期待的。另一方面，由于薄膜形态下更容易施加大 的电场，所以o．AMn03薄膜的制备对促进其实际应用也是至关重要的。 基于以上考虑，本文以Cr”半掺的正交YMn03(YMno 5Cro 503)为对象， 首先研究多晶样品的宏观磁性和离子有序构型。其次，系统的研究薄膜的取向控 制以及磁晶各向异性。接着我们着重研究面内受到压缩应变的单晶YMno．5Cro．503 薄膜的多铁性及磁电耦合。最后，对多铁性与压缩应变的关系进行了初步的探讨。 本论文共有七章，每章节的主要内容如下： 第一章，首先简要介绍了o．AMn03的晶体结构，包括氧八面体的倾斜和畸 变。其次，小结了相关的磁交换作用和铁电机制。紧接着，我们对o．AMn03的 磁性模型进行了详细说明，并给出该体系的磁电相图。最后，讨论了外延应变对 o．AMn03薄膜中物性的影响，包括磁电性能和磁晶各向异性。 第二章，我们首先介绍了多晶样品的制备方法和结构表征的实验技术。其次， 介绍了薄膜制备的详细方法，并介绍了几种表征薄膜样品结构和质量的X射线 衍射技术。最后，总结了本论文中用于物性测量的实验方法，包括电输运性质测 量，磁性测量以及铁电性质测量。 第三章，首先利用Rietveld精修方法对YMno．5Cro．503材料粉晶的X射线衍 射数据进行分析。结果显示，该化合物具有一个Mn”／Cr”层沿着(001)方向交 替排列的单斜结构。第一性原理计算结果表明，具有层状构型的双钙钛矿 Y2MnCr06具有更低的能量。而且在这种层状构型下，亚铁磁配置能将能量进一 步降低。最后，在半共价键理论的框架下，讨论了层状构型对于稳定该材料中亚 铁磁性的关键作用。 第四章，我们首先对YMno 5Cro 503与一系列单晶衬底之间的晶格失配关系 进行了细致的观察。结构表征发现衬底与薄膜之间的晶格失配对薄膜的取向以及 质量起到决定性作用。由于更好的晶格匹配，生长在LaAl03上的薄膜具有最好 的结晶度和平整性。有意思的是，我们发现生长在SrTi03上薄膜的取向可以通 过改变衬底温度和后续退火过程来调节。薄膜的磁性测量结果显示所有薄膜都在 70 K附近发生顺磁．亚铁磁转变，与块材样品相一致。对于各种取向的外延薄膜， T 万方数据 摘要我们测量了不同磁场配置下的M-H曲线。结果显示这些薄膜可能具有单轴各向 摘要 我们测量了不同磁场配置下的M-H曲线。结果显示这些薄膜可能具有单轴各向 异性，并且易磁化轴沿着C轴。 第五章，首先介绍了生长在YAl03衬底上YMno 5Cro 503薄膜的制备过程。 结构表征显示所得薄膜均为高质量的单晶薄膜。磁性测量表明，压缩应变薄膜的 磁转变温度从块材样品的75 K提升到120 K。接着，我们进行了详细的热释电 流测量，介电测量以及尸坷测量来对薄膜的铁电性进行表征。结果表明薄膜在 120 K处发生铁电性转变，相应的各向异性电极化值为：匕=0．05 gC／cm2，Pb=O， R=0．17 gC／cm2。此外，我们证明了薄膜中的电极化在JI-DN磁场的作用也可以发 生改变，暗示着样品中磁电耦合的存在。当前，我们认为薄膜中的P口来自于其 中少量的E型相，而Pc来自于其中占据主导地位的bc．cycloidal相。 第六章，我们对(010)和(100)取向的YMno．5Cro．503薄膜在不同退火条 件下进行处理，结构表征发现制备态薄膜中的压缩应变在退火之后得以释放。由 此，我们得到了一系列具有不同压缩应变的单晶薄膜，并且研究了压缩应变对薄 膜中多铁性质的影响。对(010)薄膜的磁性测量发现，应变弛豫之后磁转变温 度并没有发生太大的变化，而各向异性的剩余磁化强度却随着压缩应变变化显著。 电极化测量表明，各向异性电极化在应变弛豫之后受到了抑制。有意思的是，我 们发现各向异性电极化与相应晶轴上的压缩应变成线性关系。各向异性剩余磁化 强度测量表明沿着C轴的应变效应对薄膜各向异性的调节起到重要作用。这些现 象可以被理解为应变对磁结构的调节作用，即沿着a轴和c轴的压缩应变分别决 定了E型和bc．cycloidal相的稳定性。 第七章，对全文做了总结，并在理论和实验方面对今后的工作提出一些研究 构想。 关键字：正交锰氧化物，多铁性，磁电耦合，第一性原理计算，外延应变 万方数据 AbstractAbstract Abstract Abstract Orthorhomb