鈷氧化物外延薄膜的微結構與宏觀磁性的關系研究

發(fā)布時間：2020-09-28 21:05

　　低維功能材料具有復雜的微觀結構和新奇的物理特性,深入研究其微結構與物理性能的關系對調控功能材料的物性和構造新型微納器件具有重要的意義。本論文主要運用透射電子顯微學分析手段,常規(guī)物性表征手段及第一性原理計算,系統(tǒng)地研究了鈷氧化物外延薄膜材料的微結構與其宏觀磁性的本質關聯(lián),并通過改變溫度,施加應力,陽離子摻雜,電子束輻照,引入界面等一種或多種方式相結合調控系列鈷氧化物外延薄膜材料中磁性離子的自旋態(tài)以及薄膜的磁性;此外,還研究了透射電子顯微鏡中電子束輻照對低維材料的影響。主要的研究內容概括如下:1、研究了在不同應變作用下La1-x Srx CoO3(0≤x≤0.1)外延薄膜隨Sr摻雜量改變的磁性變化與薄膜微結構的內在聯(lián)系。結果顯示,隨著Sr摻雜量的增加,在La1-x Srx Co O3薄膜的高角環(huán)形暗場像(HAADF)中觀察到的斑馬線狀暗條紋的數(shù)量與薄膜磁性大小的變化趨勢一致。結合HAADF圖像模擬和電子能量損失譜(EELS),發(fā)現(xiàn)在暗條紋處Co-O鍵長的拉長有利于Co3+高自旋態(tài)的穩(wěn)定。La Co O3薄膜中暗條紋處高自旋Co3+離子的有序排列是其磁性的起源。微量Sr離子的摻雜,改變了薄膜的局部應力,薄膜中暗條紋數(shù)量減少,高自旋態(tài)Co3+離子的數(shù)量減少,因而影響了薄膜中超交換作用情況,從而改變薄膜磁性。2、研究了拉應力作用下的La0.9Ca0.1Co O3薄膜的磁性與微觀結構的關系。研究發(fā)現(xiàn),Ca離子的摻雜后,La Co O3薄膜材料中的周期性排列的暗條紋消失,La0.9Ca0.1Co O3薄膜的HAADF圖像表現(xiàn)出均一的鈣鈦礦結構,薄膜材料的磁性由0.8μB/Co顯著降低為0.2μB/Co。第一性原理計算結果顯示,Ca2+離子的摻雜,減少了高自旋Co3+離子的數(shù)量,抑制了高自旋Co3+的周期性排列,減弱了超交換作用,從而減弱了薄膜的磁性。3、第一次通過電子束輻照成功調控了不同生長厚度的La0.9Ca0.1Co O3薄膜材料的磁性,并利用透射電子顯微鏡中的電子束作為輻照源進一步原位實時地研究了薄膜微結構的演化行為,揭示了輻照調控磁性的內在機理。研究發(fā)現(xiàn),通過控制電鏡中電子束輻照劑量可以精確地控制暗條紋的產(chǎn)生與數(shù)量,從而調控薄膜磁性。電子束輻照引起薄膜晶格膨脹,暗條紋處缺氧,有利于低自旋Co3+離子轉變?yōu)楦咦孕鼵o2+和中自旋Co3+。高自旋Co2+和中自旋Co3+的雙交換作用增加使得薄膜磁性增大。薄膜材料微結構與磁性起源的研究,材料磁性離子自旋態(tài)的人工調控,對實現(xiàn)自旋電子學器件的構造與實際應用具有重要的作用。4、探究了不同應力作用下La Co O3-Sr Ti O3多層膜中Sr Ti O3插層對薄膜微結構與磁性的影響。研究發(fā)現(xiàn),多層膜中Sr Ti O3插層一方面可以保持和延續(xù)對La Co O3的應力,有利于超薄La Co O3膜中形成周期性的暗條紋,暗條紋處高自旋Co3+的有序排列增大多層膜的磁性;另一方面,由于Sr Ti O3與La Co O3界面處的元素的互擴散,存在3個單胞左右的障壁層,高自旋的Co離子在障壁層中轉化為低自旋Co離子,障壁層的存在減小了薄膜磁性。5、在多層膜的體系中,我們研究發(fā)現(xiàn)La Al O3襯底上的La Co O3單層膜中只有少量平行于界面的暗條紋,磁性很弱;而La Co O3-Sr Ti O3多層膜中出現(xiàn)垂直于界面的暗條紋,磁性明顯增大。其原因是:多層膜中La Al O3襯底與Sr Ti O3插層的巨大晶格失配通過在第一層La Co O3薄膜內形成新的超結構得以迅速釋放,導致該多層膜中La Co O3的晶格常數(shù)受Sr Ti O3的影響更大。超晶格多層膜中襯底與各層薄膜的晶格能量之間互相競爭,因此多層膜中的薄膜厚度也會影響材料的微結構與磁性。6、利用透射電子顯微鏡原位觀察電子束輻照下一維金錫合金納米線的晶體結構以及化學元素的變化,從而研究透射電鏡中電子束輻照對低維材料的影響。結果發(fā)現(xiàn),在電子束輻照下一維金錫合金納米線由線狀熔化回流成小球狀,由金錫的金屬間化合物的混合相轉變?yōu)锳u5Sn單一相。在透射電鏡下從宏觀到微觀上對金錫合金納米線在電子束輻照下的相變機理的研究,為該材料在納米尺度的焊接中的應用奠定了理論基礎。
【學位單位】：蘭州大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2017
【中圖分類】：O484
【部分圖文】：