二氧化釩外延薄膜的制備及性能調(diào)控.pdf

1、由于存在電荷、軌道、自旋和晶格自由度之間的相互作用和競爭，強關(guān)聯(lián)體系表現(xiàn)出豐富的相圖和奇特的物理現(xiàn)象，比如銅氧化物中的高溫超導現(xiàn)象、錳氧化物中的龐磁阻現(xiàn)象等。強關(guān)聯(lián)材料中有很大一部分是過渡金屬氧化物。近些年來，隨著外延薄膜技術(shù)的飛速發(fā)展，研究強關(guān)聯(lián)氧化物的外延薄膜的物理性質(zhì)已經(jīng)成為目前研究領(lǐng)域中的熱點。在外延薄膜中，外延應力的作用是影響薄膜物理性質(zhì)的一個非常重要的因素。這是因為應力的作用擾動了幾個自由度之間的平衡，使薄膜顯示出與塊材非常

2、不同的性能。二氧化釩(VO2)作為一種典型的強關(guān)聯(lián)電子材料，由于其金屬-絕緣體相變的物理機制問題和廣闊的應用前景而受到廣泛關(guān)注。本文主要研究了VO2外延薄膜體系中應力的作用，通過各種手段調(diào)控薄膜的應力狀態(tài)，研究應力和金屬-絕緣體相變之間的內(nèi)在聯(lián)系。
　　全文共分為五章內(nèi)容。
　　第一章本章為論文的緒論，介紹了VO2的物理性質(zhì)和研究現(xiàn)狀。首先，從VO2的晶體結(jié)構(gòu)及電子結(jié)構(gòu)出發(fā)，引出VO2中金屬-絕緣體相變機制的研究現(xiàn)狀及存在的

3、問題;其次，由于在器件應用方面，薄膜具有廣泛的應用前景，主要介紹了影響VO2薄膜性能的因素，薄膜的輸運特性以及與其它氧化物制成的超晶格的物理性能;最后，介紹了基于鐵電襯底的薄膜電子器件的研究現(xiàn)狀，并著重介紹了通過電場調(diào)控不同態(tài)的一種新的方法。
　　第二章本章介紹了論文中樣品的制備與測試手段。燒制多晶陶瓷靶材是實驗的第一步，然后通過脈沖激光沉積系統(tǒng)制備薄膜，利用X射線衍射與倒易空間圖表征薄膜外延結(jié)構(gòu)，利用原子力顯微鏡和掃描電子顯微鏡

4、表征測試樣品表面形貌結(jié)構(gòu)，使用商用儀器以及自己搭建的平臺測試薄膜的物理性能。
　　第三章本章研究了制備條件和應力厚度效應對VO2薄膜物理性質(zhì)的影響。首先，我們研究了制備條件對VO2薄膜的物理性質(zhì)的影響，這是制備高質(zhì)量的VO2薄膜的第一步，我們發(fā)現(xiàn)生長氧壓和生長溫度是調(diào)控VO2薄膜性能的兩個關(guān)鍵參數(shù)。接下來我們研究了應力厚度效應對VO2薄膜物理性質(zhì)的影響，發(fā)現(xiàn)隨著厚度的增加，薄膜中的缺陷增多，應力逐漸弛豫，相變溫度向塊材的相變溫度移

5、動。最后，我們研究了在VO2超薄薄膜中的金屬-絕緣體相變被壓制的原因，通過退火實驗發(fā)現(xiàn)，界面擴散不是主要原因，界面處的限制效應應該是主要原因。
　　第四章本章研究了在PMN-PT(111)襯底上生長的VO2薄膜的通過電場調(diào)控的非易失性電阻切換行為。研究中發(fā)現(xiàn)，通過適當?shù)卣{(diào)整加在異質(zhì)結(jié)構(gòu)上的電場，可以實現(xiàn)不同電阻態(tài)之間的有效切換。重要的是，在單極電阻回線中，當把電場強度降到零時，電阻仍然能夠保持原來的狀態(tài)。此外，在室溫條件下，在PM

6、N-PT的矯頑場附近，電阻的相對變化達到10.7％。這些優(yōu)良的性質(zhì)使得VOE/PMN-PT(111)可以應用于非易失性電阻切換中。基于以上這些結(jié)果，我們實現(xiàn)了至少四個穩(wěn)定電阻態(tài)之間的切換。
　　第五章我們研究了鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的錳氧化物中生長氧壓的變化引起的應力作用的改變對反鐵磁絕緣相的影響。我們選擇了La0.67Ca0.33MnO3/NGO(001)薄膜體系。由于襯底正交性的影響，在高氧壓下制備的薄膜受到的各向異性應力更強，在很寬的溫