祁明群，吳真平（通信作者）

（北京郵電大學(xué)理學(xué)院 北京 100876）

0 引言

鈣鈦礦型錳氧化物L(fēng)a1-xAxMnO3（A=堿土金屬）由于其特殊的磁性和輸運(yùn)行為，如巨磁電阻（CMR）[1-2]，引起了人們的廣泛關(guān)注。由于自旋、電荷、軌道和晶格自由度的相互競(jìng)爭(zhēng)，這些材料具有豐富而復(fù)雜的相圖。La1-xAxMnO3在摻雜水平為0.25＜x＜0.33，在200 K＜TP＜300 K溫度下表現(xiàn)出金屬-絕緣體（MI）和鐵磁-順磁（FP）同時(shí)轉(zhuǎn)變的CMR特性。這使得它們成為磁性隨機(jī)存儲(chǔ)器、磁性傳感器和各種自旋電子學(xué)設(shè)備。此外，這些材料（以及其他鈣鈦礦氧化物）與金屬制成的界面顯示出非揮發(fā)性和可逆的電阻特性，使它們適合于執(zhí)行電阻隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RRAM）。

在塊狀材料中，物理性質(zhì)與堿土金屬摻雜相關(guān)，堿土金屬摻雜將Mn3+修改為Mn4+，進(jìn)而影響MnO6八面體結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)耦合。此外，在薄膜形式下，這些固有的物理性質(zhì)會(huì)受到生長(zhǎng)方法、沉積參數(shù)和襯底誘導(dǎo)應(yīng)變的影響[3-5]。

我們研究了輸運(yùn)特性對(duì)襯底材料的依賴關(guān)系。導(dǎo)電機(jī)理強(qiáng)烈依賴于薄膜與所用襯底之間的晶格失配。在本文中，我們擴(kuò)展了薄膜厚度對(duì)生長(zhǎng)在SrTiO3（STO）襯底上的La0.66Sr0.33MnO3（LSMO）薄膜結(jié)構(gòu)、磁性和電輸運(yùn)性質(zhì)的影響研究。當(dāng)薄膜厚度從5 nm增加到50 nm時(shí)，應(yīng)變會(huì)發(fā)生系統(tǒng)的變化。我們還提出了結(jié)構(gòu)性質(zhì)與相應(yīng)的磁性、電輸運(yùn)和磁電阻之間的關(guān)系，作為薄膜中感生應(yīng)變的函數(shù)。此外，我們展示了我們的薄膜作為基于電阻開(kāi)關(guān)機(jī)制的RRAM存儲(chǔ)設(shè)備的能力。

1 實(shí)驗(yàn)方法

采用脈沖激光沉積法（PLD）工藝在STO（111）單晶襯底上沉積了不同厚度的LSMO薄膜。在氧分壓為200 mTorr的條件下，在750 ℃下生長(zhǎng)了厚度為5 nm、10 nm、25 nm、35 nm、50 nm的LSMO薄膜。沉積過(guò)程中，激光頻率和能量密度分別保持在5 Hz和1.0 J/cm2。薄膜在高溫下生長(zhǎng)后，樣品在100 Torr的氧氣環(huán)境中冷卻到室溫。物理性質(zhì)測(cè)量系統(tǒng)（PPMS）用于磁輸運(yùn)特性的測(cè)量，包括電阻率和磁電阻率的測(cè)量。

2 結(jié)果與分析

如圖1所示，我們測(cè)量了不同厚度的LSMO薄膜電阻率隨溫度的變化曲線。顯而易見(jiàn)地，隨著薄膜厚度的減小，薄膜的電阻率呈現(xiàn)出梯度的上升。并且伴隨著居里溫度（TC）向低溫區(qū)發(fā)生移動(dòng)。這是由于隨著薄膜厚度的減薄，襯底和LSMO之間晶格失配引起的應(yīng)力作用越發(fā)的明顯。導(dǎo)致了LSMO晶格發(fā)生畸變，從而引起了錳氧八面體的鍵角和鍵長(zhǎng)的變化。使得電子躍遷被抑制，金屬性向低溫區(qū)移動(dòng)。

如圖2（a）所示，我們選取具有代表性的5 nm、10 nm、35 nm的薄膜進(jìn)行不同溫度的磁阻測(cè)量。測(cè)試結(jié)果表明，隨著薄膜厚度的增加。磁阻曲線的最大值向著高溫區(qū)移動(dòng)。這是因?yàn)闇囟壬邥?huì)降低LSMO薄膜的磁晶各向異性，導(dǎo)致飽和磁化減小。使得鐵磁性向高溫度移動(dòng)。在圖2（b～d）中，我們利用計(jì)算模型ρ（T）=ρ0+ATα來(lái)擬合LSMO在低溫50 K到200 K的導(dǎo)電模型隨膜厚的變化。其中ρ0為殘余電阻率，A為自由擬合參數(shù)，Tα為可模擬不同散射過(guò)程的通用次冪。當(dāng)α=2時(shí)，代表著電子-電子耦合散射；當(dāng)α=3時(shí)，代表著異常單磁振子耦合散射；當(dāng)α=3.5時(shí)，代表著自旋波耦合散射。由三種散射過(guò)程擬合方差（R2）可知，隨著薄膜厚度減薄，導(dǎo)電機(jī)理從電子-電子耦合散射向異常單磁振子耦合散射移動(dòng)。這表明，薄膜越薄，晶格失配應(yīng)力對(duì)薄膜的影響程度越大。

如圖3（a）所示，我們測(cè)量并統(tǒng)計(jì)了薄膜在不同溫度下的磁阻隨厚度的變化情況。典型的，隨著薄膜厚度的增加，薄膜的磁阻在各個(gè)溫度下都顯示出減小的變化趨勢(shì)。這是由于隨著薄膜的增厚，LSMO中的晶格應(yīng)變逐漸弛豫，晶格常數(shù)越來(lái)越向本征塊材靠近，磁晶各項(xiàng)異性減弱，磁阻隨之減弱?？偨Y(jié)的電阻率、居里溫度和矯頑場(chǎng)隨薄膜厚度的變化情況如圖3（b～d）所示。這種變化規(guī)律驗(yàn)證了我們提出的外延應(yīng)力主導(dǎo)薄膜厚度對(duì)薄膜輸運(yùn)性質(zhì)影響的猜測(cè)。

3 結(jié)論

綜上所述，本文研究了薄膜厚度和誘導(dǎo)應(yīng)變對(duì)生長(zhǎng)在STO（111）襯底上的外延LSMO薄膜結(jié)構(gòu)和物理性能的影響。我們觀察到，當(dāng)薄膜厚度從5 nm增加到35 nm時(shí)，會(huì)引起重要的應(yīng)變弛豫，進(jìn)而影響LSMO薄膜的輸運(yùn)和磁性行為。研究了不同薄膜厚度下不同溫度范圍內(nèi)的居里溫度（TC）和輸運(yùn)機(jī)制與薄膜結(jié)構(gòu)性質(zhì)的關(guān)系。