Pr0.5Ba0.1Sr0.4MnO3外延薄膜的电磁性能

2021-12-14杨少波

北京印刷学院学报 2021年11期

杨少波

(北京印刷学院,北京 102600)

Pr0.5-xYxSr0.5Mn和Pr0.5Sr0.5-xCaxMn被发现在升温过程中都经过了反铁磁—铁磁转变(在奈耳温度TN处)和铁磁—顺磁转变(在居里温度TC处),并且在较高磁场作用下(5-7T)在这两个转变处都出现了一定庞磁电阻(CMR)效应,但实际上两种CMR效应都是非常微弱的。也正因如此,这种现象一直没有得到足够的重视。如果某种材料能够在较低磁场中同时具有两种比较明显的CMR效应,不论是物理内涵还是在磁电子领域的应用,都是非常丰富的。2010 年Pr0.5Ba0.1Sr0.4Mn被发现在较低外加磁场中(0.5T)能够出现比较明显的CMR效应,但究竟是材料的本征效应还是来源于晶界的散射尚需进一步研究。为此我们用脉冲激光沉积方法(pulsed laser deposition,PLD)制备了Pr0.5Ba0.1Sr0.4MnO3外延薄膜。

1 Pr0.5Ba0.1Sr0.4MnO3外延薄膜的制备

本次实验采用三轴取向的单晶(100)LaAIO3(LAO)作为基片,先用无水酒精超声清洗基片3次,每次20分钟。再将其置于PLD系统的真空腔内后抽真空达到1.0×10-3Pa以下,通入纯氧,当氧气达到50Pa开始沉积薄膜。薄膜生长速率约100nm/min,薄膜最后厚度约3000nm。因为不同沉积温度时薄膜可能有不同取向[4],所以我们在700℃～800℃的不同沉积温度制备了多种薄膜。这些样品的X射线θ-2θ扫描和φ扫描结果如图1所示。结果显示,只有在沉积温度为740℃才能得到真正的三轴定向外延(单晶)薄膜。

图1 Pr0.5Ba0.1Sr0.4MnO3外延薄膜的X射线θ-2θ扫描和φ扫描

2 Pr0.5Ba0.1Sr0.4MnO3外延薄膜的电磁性能

为研究Pr0.5Ba0.1Sr0.4MnO3外延薄膜的电学性能(ρ-T曲线)、磁学性能(M-T曲线)及其内在联系,在超导量子干涉仪上测量磁化强度—温度曲线(M-T曲线)。此时由于误差原因不能测零场MT,必须外加一小磁场(5mT)。然后在薄膜表面上用导电银胶均匀、平行地粘上四个镀铟电极,用标准的四端法在同一台超导量子干涉仪上测得电阻—温度曲线(ρ-T曲线)。先零场降温到5K,然后外加磁场,从5K逐步升温到300K,步长为2K。磁场分别为0T、0.2T。

Pr0.5Ba0.1Sr0.4MnO3外延薄膜的M-T曲线如图2所示。从图中可以看出,当温度从5K增加到300K的过程中,样品先在奈耳温度TN处由反铁磁态转变为铁磁状态。然后在居里温度TC处转变为顺磁态。TN和TC定义为M-T曲线的左、右拐点,此处|dM/dT|取极大值[4]。在0.2T时,样品的TN为137K,TC为272K;在5mT时,TN和TC分别为133K和264K。

图2 Pr0.5Ba0.1Sr0.4MnO3外延薄膜的M-T曲线

Pr0.5Ba0.1Sr0.4MnO3外延薄膜的ρ-T曲线如图3所示。对比M-T曲线和ρ-T曲线,可以清楚地看出,对应于M-T曲线上在奈耳点发生的反铁磁—铁磁转变,在ρ-T曲线上相应地发生了绝缘体—半导体转变;随着温度继续升高到大约230-240K时,样品由半导体变成了金属;再升高温度到居里点时,对应于M-T曲线上的铁磁-顺铁磁转变,在ρ-T曲线上相应地发生了金属—半导体转变。也就是说,在从4K到300K的升温过程中,样品先在奈耳点由反铁磁绝缘体转变为铁磁半导体,再转变为铁磁金属,最后在居里点转变为顺磁半导体。

图3 Pr0.5Ba0.1Sr0.4MnO3外延薄膜的ρ-T曲线

需要注意的是,在奈耳点时,样品不是直接由反铁磁绝缘体转变为铁磁金属,而是先转变为铁磁半导体,然后再转变为铁磁金属。这样就在一段温区内(TN

根据前面测得的ρ-T曲线和计算磁电阻的公式:

得到了样品的磁电阻—温度曲线(MR-T)如图4所示。

图4 Pr0.5Ba0.1Sr0.4MnO3外延薄膜的MR-T曲线

从图4中可以看出,对应于反铁磁—铁磁转变和铁磁—顺磁转变,在TN和TC处存在着两个非常突出的磁电阻峰。在比较小的外加磁场(0.2T)下,样品在TN处的磁电阻达到了约55%,在TC处的磁电阻约为15%,表现出了非常强的磁电阻效应。与以前对Pr0.5-xBaxSr0.5MnO3多晶块材的研究[3]比较,外延薄膜显示出了更强的CMR效应。说明在多晶块材中晶界对CMR效应有一定的抑制作用。