应力对La0.8Ca0.2MnO3薄膜电输运性能的调控研究

胡小飞, 姚 洋, 华正和

(1.宁夏大学 物理与电气信息学院, 宁夏 银川 750021; 2.淮阴师范学院 物理与电子电气工程学院, 江苏 淮安 223300)

应力对La0.8Ca0.2MnO3薄膜电输运性能的调控研究

胡小飞1,2, 姚 洋1,2, 华正和2

(1.宁夏大学 物理与电气信息学院, 宁夏 银川 750021; 2.淮阴师范学院 物理与电子电气工程学院, 江苏 淮安 223300)

采用脉冲激光沉积技术,在LaAlO3和0.67Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.33PbTiO3两种单晶基片上外延生长了La0.8Ca0.2MnO3薄膜.X射线衍射分析表明两种薄膜皆为单取向生长,且面内分别受到压应力和张应力作用.晶格失配造成的应力对薄膜的电阻和金属-绝缘相转变温度Tp影响很大.对LCMO/PMN-PT施加外电场,从而调节薄膜所受应力也可以调制其电阻和Tp.

La0.8Ca0.2MnO3薄膜; 应力; 电运输性质

0 引言

钙钛矿结构氧化物是一种电荷、轨道、晶格、自旋四者紧密相关的强关联体系材料[1-3],具有介电、铁电、压电、热电、光电、超导、巨磁电阻及光学非线性等非常丰富的特性和效应.锰氧化物是钙钛矿结构氧化物的一个重要分支,受到广泛地关注[4-6].锰氧化物在相空间边界对外磁场、外电场、光照等异常敏感.Jin等[7]发现在La0. 67Ca0. 33MnO3薄膜中的磁电阻可达105%～ 106%,证明了薄膜效应进一步加强锰氧化磁电阻效应.J GAO等[8]对不同Ca掺杂比例的La1-xCaxMnO3薄膜进行了一系列电致电阻效应研究,发现薄膜对外电场异常敏感的特性,同时还观测到新奇的反常电阻行为.另外,人们还在锰氧化物薄膜中发现了激光照射激发的电阻变化效应、电脉冲诱导的电阻可逆变化效应等奇特性质[9-10].

研究发现,锰氧化物薄膜的物理性能还受很多内在因素的影响,如薄膜中的氧空缺、晶体质量、晶格弛豫、晶粒大小和化学配比等[11-12].最近,出现了一系列在弛豫型铁电衬底上生长的锰氧化物薄膜的电阻受压电应力调控的报道[13-14].通过压电应力的调控来促进或减弱双交换、姜-泰勒效应,引发Mn-O键长和Mn3+-O-2-Mn4+键角的改变,从而导致电磁输运性能的变化.这些研究为新型功能材料和电子元件的制备生产提供了广阔的前景.

本文研究了由于晶格失配造成的张应力和压应力分别对La0.8Ca0.2MnO3(LCMO)薄膜电阻和金属-绝缘体转变温度的影响,并且分析了压电应力改变对薄膜电阻和金属-绝缘体转变温度的调控作用.

1 实验部分

用传统的固相反应方法烧结LCMO靶材.然后,采用脉冲激光沉积方法分别在(001)取向的LaAlO3(LAO)和0.67Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.33PbTiO3(PMN-PT)单晶基片上生长薄膜.激光源为Coherent公司生产的Compexpro201型激光器.镀膜时,激光能量为380 mJ,频率为2 Hz.基片温度为650℃,腔内氧气压为50 Pa.镀膜结束后,为了防止氧空缺的产生,样品在1个大气压氧气气氛下退火30 min.薄膜厚度约为45 nm.

利用Siemens D5000型X射线衍射仪测量薄膜晶格结构.电输运测量示意图如图1所示,分别使用数字源表Keithley 2400和Keithley 6487作为测量单元和外接电压源,20 kΩ电阻提供分压保护.

2 结果讨论

图1 薄膜电运输性质测量示意图

图2 在LAO和PMN-PT两种(001)取向单晶衬底基片上生长的LCMO薄膜的XRD图谱比较

图3为LAO和PMN-PT基片上生长的LCMO薄膜电阻随温度变化关系.由图3可以看出LAO和PMN-PT基片上生长的LCMO薄膜的金属-绝缘体转变温度Tp相差较大,分别为195 K和147 K. PMN-PT基片上生长的LCMO薄膜的电阻峰值为LAO上的2.7倍.如前所述,两种薄膜生长条件相同,差别在于薄膜与基片之间的晶格失配度不同,从而使得薄膜分别处于张应变和压应变.由此可见,晶格应变对薄膜的物理性能影响较大.

图3 LAO和PMN⁃PT基片上生长的LCMO薄膜的R⁃T关系曲线图 图4 LCMO/PMN⁃PT薄膜/基片两端施加不同电压调制所测得的R⁃T关系曲线

为了进一步分析晶格应变对LCMO的转变温度Tp和电阻的影响,我们在LCMO/PMN-PT薄膜/基片上施加稳定电压来调制薄膜所受的应力.PMN-PT基片由于压电效应,在受到不同外电场作用时,晶胞将拉长或压缩,使薄膜受到的应力也相应变化,从而可以原位研究外应力对其物理性能的影响.

图4为对LCMO/PMN-PT薄膜/基片两端施加不同电压调制所测得的R-T曲线，定义从LCMO薄膜指向PMN-PT基片电压为正向电压.由图4可知:在不施加电场情况下,LCMO薄膜的金属-绝缘相变温度Tp为147 K;施加一个从薄膜指向基片的电压,薄膜电阻随极化电压的增强而减小,金属-绝缘相变温度Tp向高温移动,500 V时为150 K.这种现象与文献中的报道相符[16].PMN-PT在正向电场作用下,发生铁电极化,面内晶格收缩,从而使LCMO薄膜与基片间由于晶格失配造成的张应力减弱,Mn-O键长缩短,Mn+3-O-2-Mn+4共价键键角增大,双交换作用增强,薄膜电阻减小,TP向高温移动[17].这种应力影响与上述由于基片不同造成的面内晶格失配应力对电运输性质的影响相一致.因此,我们认为晶格受应力是两种薄膜电运输性质不同的主要原因.

3 结论

综上所述,晶格失配应力对LCMO薄膜的电阻和金属-绝缘相变温度有很大影响,相同生长条件下,薄膜受到面内张应力比压应力情况下电阻大,转变温度低.减小面内张应力能使薄膜电阻减小和Tp增大.

[1] Mills A J, Littlewood P B, Shraiman B L. Resistance relaxation in field-induced insulator-mental transition of a (La0.4Pr0.6)1.2Sr1.8Mn2O7bilayer manganite crystal[J]. Phys Rev Lett, 1995, 74(25): 5144-5147.

[2] Helmolt R V, Wecker J, Holzapfel B, et al. Giant negative magnetoresistance in perovskitelike La2/3Ba1/3MnOxferromagnetic films[J]. Phys Rev Lett, 1993, 71(14): 2331-2333.

[3] Schmidt R. Investigation of the electronic structure of the charge-ordered phase in epitaxial and polycrystalline La1-xCaxMnO3(x=0.55, 0.67) perovskite manganites[J]. Phys Rev B, 2008, 77: 205101.

[4] Craus M L, Islamov A K h, Anitas E M, et al. Microstructural, magnetic and transport properties of La0.5Pr0.2Pb0.3-xSrxMnO3manganites[J]. J Alloy Compd, 2014, 592: 121-126.

[5] Jin S, Tiefel T H, Thousandfold change in resistivity in magnetoresistive La-Ca-Mn-O films[J]. Science, 1994, 264(51): 413-415.

[6] Deng H, Yang C P, Zhou Z H, et al. Electroresistance effect in La1-xCaxMnO3(0

[7] McCormack M, Jin S, Tiefel T H, et al. Very large magnetoresistance in perovskite-like La-Ca-Mn-O thin films[J]. Appl Phys lett, 1994, 64(22): 3045-3047.

[8] Gao J, Hu F X. Effect of magnetic fields on the abnormal electroresistance behavior in epitaxial thin films[J]. Mat Sci Eng, 2006, B126(2): 250-253.

[9] Li X H, Habermeier H U, Zhang P X. Laser-induced off-diagonal thermoelectric voltage in La1-xCaxMnO3thin films[J]. J Magn Magn Mater, 2000, 211(1-3): 232-237.

[10] Chen I-Wei, Mamchik A. Magnetically-and electrically-induced variable resistance materials and method for preparing same[P]. US: US 11/789 062, 2008-07-24.

[11] Rata A D, Herklotz A, Nenkov K, et al. Strain-Induced Insulator State and Giant Gauge Factor of La0.7Sr0.3CoO3Fil-ms[J]. Phys Rev Lett, 2008, 100(7): 076401.

[12] Zheng R K, Wang Y, Chan H L W, et al. Strain-mediated electric-field control of resistance in the La0.85Sr0.15MnO3(LSMO)/0.7Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.3PbTiO3(PMN-PT) structure[J]. Appl Phys Lett, 2007, 90(15): 2904-2906.

[13] Murugavel P, Lee J H, Yoon J G, et al. Effects of oxygen annealing on La0.8Ba0.2MnO3films[J]. Phys D, 2002, 35(24): 3166-3170.

[14] Lebedev O I, Tendeloo G Van, Amelinckx S, et al. Structure and microstructure of La1-xCaxMnO3-δthin films prepared by pulsed laser deposition[J]. Phys Rev B, 1998, 58(12): 8065-8074.

[15] Wang S Y, Gao J. Colossal electroresistance in La0.8Ca0.2MnO3films on 0.7Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.3PbTiO3substr-ates[J]. EPL, 2012, 97(5): 57009.

[16] Chen L P, Gao J. Reversible in situ modulation of competing phases in manganite/ferroelectrics heterostructures[J]. EPL, 2011, 93(4): 47009.

[17] Li Z Q, Liu H, Liu X D, et al. Competition between the double exchange and charge ordering interactions in the bandwidth controlled (La, Nd)0.8Na0.2MnO3manganites[J]. Phys B: Condens Matter, 2004, 351(1): 114-120.

[责任编辑：蒋海龙]

The Effect of Strain on Electrical Transport Properties in La0.8Ca0.2MnO3Films

HU Xiao-fei1,2, YAO Yang1,2, HUA Zheng-he2

(1.School of Physics and Electrical Information, Ningxia University, Yinchuan Ningxia 750021, China) (2.School of Physics and Electronic Electrical Engineering, Huaiyin Normal University, Huaian Jiangsu 223300, China)

La0.8Ca0.2MnO3thin films were epitaxially grown on LaAlO3and 0.67Pb (Mg1/3Nb2/3) O3-0.33PbTiO3crystal substrates by pulsed laser deposition technique. X ray diffraction analysis showed that the two kinds of films were single orientation grown, and the two films were under compressive and tensile stress respectively. Stress induced by lattice mismatch played great role on the resistance and metal-insulator phase transition temperatureTpof the films. Applying external electric field on LCMO/PMN-PT, thereby regulating the film stress, can also modulate the resistance andTp.

La0.8Ca0.2MnO3thin films; stress; electoral transport properties

2014-02-22

江苏省高校大学生实践创新训练计划项目(2012JSSPITP2486)

华正和(1971-)， 男， 江苏沭阳人， 教授， 博士， 主要从事凝聚态物理研究. Email： huazhenghe@sina.com

O484.3

A

1671-6876(2014)02-0117-04