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钙钛矿铁氧化物异质结的磁性研究与调控

中文摘要

钙钛矿型过渡金属氧化物由于其丰富的物理性能（如金属-绝缘转变、铁电性、超

导性质等）在自旋电子学领域得到广泛研究，而通过电场控制这些现象在现代凝聚态物

理中具有潜在应用，是未来电子器件中的一个重要研究课题。SrFeO(SFO)材料由于其

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特殊结构具有离子传导和氧含量相关的相变特征，在固体氧化物燃料电池、智能窗口和

记忆器件中表现出广泛的应用前景。SrFeO2.5(SFO2.5)在经过电场调控后可实现褐铁矿向

钙钛矿结构转变，其性质也会跟着发生变化。基于此，本文主要以SFO2.5为研究对象，

首先研究了不同反铁磁类型薄膜组成的异质结SFO/LaMnO(LMO)，通过改变沉积顺

2.53

序和LMO层厚度探究其磁性质；其次，制备SFO/LaCoO(LCO)异质结，研究不同沉

2.53

积顺序下磁性质随LCO层厚度的变化，再通过离子液体对薄膜进行可逆调控，最后成

功制备出了自支撑BaTiO(BTO)薄膜，为后续利用铁电调控SFO性质提供基础。研究

3x

的主要成果如下：

（1）使用带有反射式高能电子衍射系统的脉冲激光沉积系统在取向为(001)的

SrTiO(STO)基片上成功制备出不同沉积顺序的SFO/LMO双层膜，通过X射线衍射

32.5

仪、原子力显微镜表征薄膜质量，利用综合物性测试系统和X射线光电子能谱仪对磁

性和价态进行测试。可以发现当SFO2.5在下层时，其磁性相对较弱，而改变沉积顺序后，

异质结磁性增强，说明薄膜磁性强弱受衬底应力的影响。在室温下利用交流退磁模式对

双层膜消磁处理后，零场冷时其磁滞回线会出现任意水平方向偏移，改用380K高温消

磁的方式克服这一问题。之后在±0.5T场冷下测试发现G型反铁磁和A型反铁磁的异

质结仍能发生负交换偏置效应，且随着LMO厚度的增加，交换偏置场逐渐减小。形成

异质结后，其界面处可能存在Mn3+-Mn4+的双交换作用和Mn3+-Fe3+的超交换作用。

（2）在STO基片上制备不同沉积顺序的高质量层状生长的SFO2.5/LCO双层膜，

双层膜的磁滞回线表现出“台阶”状，这是薄膜中软/硬磁耦合的结果；而在±0.5T场

冷下测试发现两种沉积顺序双层膜均存在负交换偏置效应，且随着LCO厚度的增加，

交换偏置场逐渐减小，这与反铁磁层对铁磁层的钉扎效应有关。之后对LCO/SFO2.5进

行离子液体调控，通过改变上层SFO2.5的氧空位浓度使其结构发生变化从而实现薄膜交

换偏置效应的可逆变化。

（3）在适宜条件下生长SrAlO(SAO)和BTO薄膜，并对其结构进行表征，证明

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薄膜的高质量生长。以SAO薄膜作为牺牲层获得了完整的自支撑BTO薄膜，并将其转

移到Pt-Ti硅片上，通过宏观及微观表征测试，发现转移后的自支撑BTO薄膜仍表现出

与在衬底生长的BTO薄膜一致的室温铁电性质，这为后续自支撑薄膜中利用铁电对

SFOx的调控研究提供的坚实的基础。

关键词：钙钛矿铁氧化物，磁性，交换偏置效应，离子液体调控，自支撑铁电薄膜

TheStudyandControlofMagneticPropertyinPerovskiteFerric

Oxide-BasedHeterostructures

ABSTRACT