朱金山,韓建設(shè),朱 敏

(西安科技大學(xué) 理學(xué)院,西安 710054)

La0.7Pb0.3MnO3薄膜的溶膠凝膠法制備及電特性研究

朱金山,韓建設(shè),朱 敏

(西安科技大學(xué) 理學(xué)院,西安 710054)

利用溶膠凝膠法在單晶 LaAlO3(100)襯底上成功的制備了 La0.7Pb0.3MnO3外延膜.用 X射線衍射儀、直流四探針法對(duì)其結(jié)構(gòu)及電特性進(jìn)行了研究.結(jié)果表明,薄膜為贗立方鈣鈦礦結(jié)構(gòu),晶胞參數(shù)為 a=3.907nm.電阻率隨著溫度的增加,從金屬導(dǎo)電行為向半導(dǎo)體行為轉(zhuǎn)變,轉(zhuǎn)變溫度為 TP=336K,利用雙交換理論對(duì)此現(xiàn)象作了合理的解釋.其電阻率在低溫區(qū)時(shí)滿足ρ=ρ0+ρ1T2+ρ2T4.5,其導(dǎo)電機(jī)制主要是電子與電子的散射,在 T>TMI時(shí)主要是小極化子輸運(yùn).

薄膜;La0.7Pb0.3MnO3;溶膠凝膠法;電輸運(yùn)特性

0 引言

鈣鈦礦錳氧化物 La1-xMxMnO3(M為堿土元素如 Ba,Ca,Sr)具有龐磁電阻效應(yīng) (colossal magnetoresistance簡(jiǎn)稱為 CMR)巨磁卡效應(yīng)等,由于其在磁記錄以及光電探測(cè)器、傳感器等方面有著極大的應(yīng)用前景[1],以及半導(dǎo)體-金屬相變等所包含的強(qiáng)關(guān)聯(lián)效應(yīng),引起了材料學(xué)界和物理學(xué)界的廣泛關(guān)注.所以近年來(lái)各國(guó)的學(xué)者通過(guò)各種測(cè)量手段,對(duì) CMR薄膜材料進(jìn)行了深入的研究[2].對(duì)于鈣鈦礦結(jié)構(gòu)錳氧化物薄膜,鋇 (Ba)、鈣 (Ca)、鍶 (Sr)摻雜的報(bào)道較多[3],重金屬鉛 (Pb)摻雜的鮮于報(bào)道.選擇 La0.7Pb0.3MnO3作為研究對(duì)象,主要因?yàn)?Pb2+的離子半徑 (0.149 nm)比 La3+的離子半徑 (0.136 nm)大,可以導(dǎo)致晶格不匹配,從而改變此類材料中 eg電子的帶寬;其次,La0.7Pb0.3MnO3多晶的居里溫度高于室溫,且磁電阻效應(yīng)非常明顯[4],從而為其在室溫條件下的潛在應(yīng)用提供了可能.對(duì)于 La1-xPbxMnO3單晶及多晶薄膜,人們通常采用脈沖激光沉積法(PLD)、射頻磁控濺射法以及分子束外延法等來(lái)制備.但是上述方法需要昂貴的設(shè)備、復(fù)雜的工藝,不利于工業(yè)化生產(chǎn),本文提供了一種簡(jiǎn)單的方法——溶膠凝膠法.采用溶膠凝膠法,在 (100)取向單晶LaA lO3襯底上制備了La0.7Pb0.3MnO3薄膜.并對(duì)其結(jié)構(gòu)和電輸運(yùn)機(jī)理進(jìn)行了探究.

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 樣品制備

實(shí)驗(yàn)用的原料 La2O3(99.95%),Pb(NO3)2,50%的 Mn(NO3)2溶液,濃硝酸,氨水,檸檬酸,已二醇均為分析純.仔細(xì)計(jì)算和稱量所需各藥品,在燒杯中配制成 1 mol/L的溶液,同時(shí)將等量的檸檬酸和已二醇在另一個(gè)燒杯中在 80℃的水浴鍋中溶解,然后把兩種溶液倒入一個(gè)大燒杯中,邊攪拌邊滴加氨水,用數(shù)顯酸度計(jì)測(cè)量,控制溶液的 pH值在 6～7的范圍內(nèi).將上述實(shí)驗(yàn)所得的混合溶液在 90℃水浴鍋中制成漿糊狀凝膠.把溶膠滴在 LaA lO3基片上,并使基片旋轉(zhuǎn) 20秒 (轉(zhuǎn)速為 400轉(zhuǎn) /秒).把基片 500℃的電爐上熱處理 30分鐘后冷卻,再滴上幾滴溶膠,重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)過(guò)程.經(jīng)過(guò)三、四次反復(fù),在襯底上就可以制備出La0.7Pbr0.3MnO3薄膜.為了消除薄膜中的氧缺陷,將薄膜在 700℃氧氣氛中退火 4小時(shí).

1.2 樣品測(cè)試

采用 X射線衍射儀來(lái)測(cè)量薄膜樣品的結(jié)構(gòu).儀器型號(hào):Rigaku D/Max-2400;TARGET:Cukα;波長(zhǎng):0.15406nm;掃描步進(jìn)角度 :0.02°;掃描范圍 :15°～60°;管電壓 :40kV;管電流 :100mA.

用低溫磁電阻儀來(lái)探測(cè)薄膜的電阻.測(cè)量前,先用電烙鐵給薄膜壓上四個(gè)銦電極,測(cè)量過(guò)程中采用高靈敏度電阻表,測(cè)量時(shí)電流小于 2微安,兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的響應(yīng)時(shí)間為 5分鐘,最低溫度為 77K,最高溫為390K,測(cè)量中電流平行于樣片表面.

2 結(jié)果與討論

LaA lO3(100)襯底上制備的La0.7Pb0.3MnO3薄膜的 X射線衍射結(jié)果見圖 1.通過(guò)此圖可以清楚的看到,除了 LaA lO3襯底 (100)面和 (200)面的衍射峰外,就只有薄膜 (100)面和 (200)面的衍射峰,因此襯底和薄膜具有非常一致的晶格取向.X射線衍射分析表明:LaA lO3襯底和 La0.7Pb0.3MnO3薄膜均為贗立方型鈣鈦礦結(jié)構(gòu).通過(guò)對(duì) (100)面和 (200)面的衍射數(shù)據(jù)可得:襯底和薄膜晶胞參數(shù)分別為3.783nm和3.907nm,晶格失配度為 3.3%,因此薄膜具有良好的單晶外延結(jié)構(gòu).

La0.7Pb0.3MnO3薄膜在 77-390K的電阻率與溫度的變化關(guān)系如圖 2所示.定義金屬-半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變溫度TMI為電阻率ρ取極大值時(shí)的溫度值.由圖可以明顯地看出:當(dāng) T>TMI時(shí),ρ隨著溫度 T的增加而減小,樣品呈現(xiàn)半導(dǎo)體導(dǎo)電特征;當(dāng) T

為了研究薄膜在低溫和高溫的電輸運(yùn)機(jī)理,以 TMI為分界將圖 2分為兩個(gè)區(qū)域.在 TTMI的區(qū)間,用近鄰小極化子模型進(jìn)行了擬合如圖 4所示.從此圖可以看出,ln(ρ/T)與 1/T呈線性關(guān)系,從而證明了薄膜在 T>TMI的區(qū)間為最近鄰小極化子輸運(yùn)導(dǎo)電機(jī)制.在低溫區(qū)條件下,薄膜的導(dǎo)電機(jī)制是電子和電子散射,隨著溫度的進(jìn)一步升高,電子和磁子耦合逐漸變強(qiáng),巡游的 eg電子引起周圍晶格極化,從而形成畸變的晶格極化場(chǎng),這個(gè)極化場(chǎng)相當(dāng)于一個(gè)勢(shì)阱,從而俘獲巡游的 eg電子,隨著俘獲的巡游電子越來(lái)越多,電子就會(huì)形成尺寸小于晶胞大小的準(zhǔn)粒子 -小極化子 (s mall polaron).當(dāng) T>TMI時(shí),由于巡游 eg電子被局域化,從而導(dǎo)致其激活能 Ea增加.因此電子不能在 T>TMI區(qū)間躍遷,所以最近鄰極化子表現(xiàn)為主要的電輸運(yùn).

3 結(jié)論

(1)提供了一種非常簡(jiǎn)單實(shí)用的方法來(lái)制備La0.7Pb0.3MnO3薄膜.

(2)對(duì) La0.7Pb0.3MnO3薄膜的電特性進(jìn)行了測(cè)量,結(jié)果表明:隨著溫度的逐漸升高,薄膜從金屬導(dǎo)電向半導(dǎo)體導(dǎo)電轉(zhuǎn)變,并根據(jù)雙交換模型對(duì)此進(jìn)行了一定的解釋.

(3)對(duì) La0.7Pb0.3MnO3薄膜 TTMI這兩個(gè)區(qū)間的導(dǎo)電機(jī)制進(jìn)行了研究.結(jié)果表明:薄膜在 TTMI區(qū)間半導(dǎo)體導(dǎo)電主要來(lái)源于最近鄰小極化子躍遷.

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[責(zé)任編輯 牛懷崗]

Fabrication and Electric Properties of La0.7Pb0.3MnO3Thin Film by Sol-gel Method

ZHU Jin-shan,HAN Jian-she,ZHU Min
(College of Science,Xi’an University of Science and Technology,Xi’an 710054,China)

Using sol-gelmethod,La0.7Pb0.3MnO3thin fi lms have been epitaxially grown on(100)LaAlO3substrates.The thin fi lm was characterized by X ray diffraction,direct current four-probe method.The results show that the thin film has a pseudo-cubic perovskite structure with the cell parameter a=3.907nm.There is a transition from the metal to insulatorwith the increment of the temperature;a reasonable explanation is given by double interaction theory.The transition temperature is 336K.The transport results show that the data is satisfied withρ=ρ0+ρ1T2+ρ2T4.5in the rang of T

thin film;La0.7Pb0.3MnO3;sol-gelmethod;electrical transport properties

O482

A

1009—5128(2010)05—0038—03

2010—03—29

陜西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(ZK2007F46)

朱金山 (1960—),男,陜西華縣人,西安科技大學(xué)工程師.研究方向:物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)與研究.