外延应力调控（111）取向La0.66Sr0.33MnO3外延薄膜的物理性质

祁明群，吴真平（通信作者）

（北京邮电大学理学院 北京 100876）

0 引言

钙钛矿型锰氧化物La1-xAxMnO3（A=碱土金属）由于其特殊的磁性和输运行为，如巨磁电阻（CMR）[1-2]，引起了人们的广泛关注。由于自旋、电荷、轨道和晶格自由度的相互竞争，这些材料具有丰富而复杂的相图。La1-xAxMnO3在掺杂水平为0.25＜x＜0.33，在200 K＜TP＜300 K温度下表现出金属-绝缘体（MI）和铁磁-顺磁（FP）同时转变的CMR特性。这使得它们成为磁性随机存储器、磁性传感器和各种自旋电子学设备。此外，这些材料（以及其他钙钛矿氧化物）与金属制成的界面显示出非挥发性和可逆的电阻特性，使它们适合于执行电阻随机存取存储器（RRAM）。

在块状材料中，物理性质与碱土金属掺杂相关，碱土金属掺杂将Mn3+修改为Mn4+，进而影响MnO6八面体结构的系统耦合。此外，在薄膜形式下，这些固有的物理性质会受到生长方法、沉积参数和衬底诱导应变的影响[3-5]。

我们研究了输运特性对衬底材料的依赖关系。导电机理强烈依赖于薄膜与所用衬底之间的晶格失配。在本文中，我们扩展了薄膜厚度对生长在SrTiO3（STO）衬底上的La0.66Sr0.33MnO3（LSMO）薄膜结构、磁性和电输运性质的影响研究。当薄膜厚度从5 nm增加到50 nm时，应变会发生系统的变化。我们还提出了结构性质与相应的磁性、电输运和磁电阻之间的关系，作为薄膜中感生应变的函数。此外，我们展示了我们的薄膜作为基于电阻开关机制的RRAM存储设备的能力。

1 实验方法

采用脉冲激光沉积法（PLD）工艺在STO（111）单晶衬底上沉积了不同厚度的LSMO薄膜。在氧分压为200 mTorr的条件下，在750 ℃下生长了厚度为5 nm、10 nm、25 nm、35 nm、50 nm的LSMO薄膜。沉积过程中，激光频率和能量密度分别保持在5 Hz和1.0 J/cm2。薄膜在高温下生长后，样品在100 Torr的氧气环境中冷却到室温。物理性质测量系统（PPMS）用于磁输运特性的测量，包括电阻率和磁电阻率的测量。

2 结果与分析

如图1所示，我们测量了不同厚度的LSMO薄膜电阻率随温度的变化曲线。显而易见地，随着薄膜厚度的减小，薄膜的电阻率呈现出梯度的上升。并且伴随着居里温度（TC）向低温区发生移动。这是由于随着薄膜厚度的减薄，衬底和LSMO之间晶格失配引起的应力作用越发的明显。导致了LSMO晶格发生畸变，从而引起了锰氧八面体的键角和键长的变化。使得电子跃迁被抑制，金属性向低温区移动。

如图2（a）所示，我们选取具有代表性的5 nm、10 nm、35 nm的薄膜进行不同温度的磁阻测量。测试结果表明，随着薄膜厚度的增加。磁阻曲线的最大值向着高温区移动。这是因为温度升高会降低LSMO薄膜的磁晶各向异性，导致饱和磁化减小。使得铁磁性向高温度移动。在图2（b～d）中，我们利用计算模型ρ（T）=ρ0+ATα来拟合LSMO在低温50 K到200 K的导电模型随膜厚的变化。其中ρ0为残余电阻率，A为自由拟合参数，Tα为可模拟不同散射过程的通用次幂。当α=2时，代表着电子-电子耦合散射；当α=3时，代表着异常单磁振子耦合散射；当α=3.5时，代表着自旋波耦合散射。由三种散射过程拟合方差（R2）可知，随着薄膜厚度减薄，导电机理从电子-电子耦合散射向异常单磁振子耦合散射移动。这表明，薄膜越薄，晶格失配应力对薄膜的影响程度越大。

如图3（a）所示，我们测量并统计了薄膜在不同温度下的磁阻随厚度的变化情况。典型的，随着薄膜厚度的增加，薄膜的磁阻在各个温度下都显示出减小的变化趋势。这是由于随着薄膜的增厚，LSMO中的晶格应变逐渐弛豫，晶格常数越来越向本征块材靠近，磁晶各项异性减弱，磁阻随之减弱。总结的电阻率、居里温度和矫顽场随薄膜厚度的变化情况如图3（b～d）所示。这种变化规律验证了我们提出的外延应力主导薄膜厚度对薄膜输运性质影响的猜测。

3 结论

综上所述，本文研究了薄膜厚度和诱导应变对生长在STO（111）衬底上的外延LSMO薄膜结构和物理性能的影响。我们观察到，当薄膜厚度从5 nm增加到35 nm时，会引起重要的应变弛豫，进而影响LSMO薄膜的输运和磁性行为。研究了不同薄膜厚度下不同温度范围内的居里温度（TC）和输运机制与薄膜结构性质的关系。