Đại học Quốc gia hà nội
trờng đại học công nghệ
Nguyễn văn Đại nghiên cứu màng mỏng
La
0.7
Sr
0.3
MnO
3
kích thớc nanô mét Chế tạo
bằng phơng pháp bốc bay xung laser Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện nanô
Mở đầu
1
Chơng 1. Vật liệu màng mỏng perovskite
manganite
5
1.1. Tổng quan về perovskite manganite
5
1.1 1. Cấu trúc tinh thể và hiện tợng méo mạng
6
1.1.1.1. Cấu trúc tinh thể perovskite
6
1.1.1.2. Hiệu ứng Jahn- Teller và các hiện tợng méo mạng
7
1.1.2. Các tơng tác trao đổi
9
1.1.2.1. Tơng tác siêu trao đổi (Super Exchange interaction)
9
1.1.2.2. Tơng tác trao đổi kép (Double Exchange Interaction)
10
1.1.3. Chuyển pha sắt từ - thuận từ và chuyển pha kim loại điện môi
12
1.1.4. ảnh hởng của từ trờng và hiệu ứng từ trở tại lân cận T
C
13
1.2. Các kết quả nghiên cứu màng mỏng perovskite manganite
15
1.2.1. Một số kết quả nghiên cứu trên màng mỏng perovskite
manganite
303 xung laser
2.2. Các phép đo phân tích tính chất của vật liệu
35
2.2.1. Phân tích cấu trúc bằng nhiễu xạ kế tia X
35
2.2.2. Phép đo tính chất từ
35
2.2.3. Các phép đo điện trở và từ trở
36
Chơng 3. Kết quả và thảo luận
38
3.1. Kết quả nghiên cứu trên vật liệu bia
38
3.1.1. Phân tích cấu trúc
38
3.1.2. Phép đo các tính chất điện - từ.
38
3.2. Kết quả nghiên cứu trên vật liệu liệu màng mỏng
40
3.2.1. ảnh hởng của nhiệt độ ủ lên tính chất của màng mỏng
40
3.2.1.1.Phân tích cấu trúc
40
3.2.1.2. Phép đo tính chất từ
lợng tử xuất hiện trong loại vật liệu này là nguyên nhân gây ra những tính chất
đặc biệt cha từng đợc quan sát trên các vật liệu cổ điển trớc đó. Nghiên cứu về
vật liệu nanô rất phong phú và đa dạng trong cả lý thuyết và thực nghiệm. Các kết
quả đã mở ra những triển vọng ứng dụng to lớn dựa trên các tính chất quang -
điện từ. Từ đó có thể tạo ra các thiết bị, các linh kiện nhằm phục vụ, nâng cao
đời sống con ngời.
Trong các vật liệu có cấu trúc nanô, vật liệu từ nanô có một vị trí đặc biệt
đã thu hút đợc sự quan tâm nghiên cứu. Các hạt từ nanô đợc xem nh có triển
vọng lớn trong các ứng dụng xử lý môi trờng và đặc biệt là trong y sinh. Một
khía cạnh khác của vật liệu từ nanô đã đợc quan tâm nghiên cứu là hiệu ứng từ
trở trong các màng mỏng kích thớc nanô mét. Từ các kết quả thu đợc, ngời ta
hy vọng các ứng dụng của nó sẽ nâng cao khả năng xử lý thông tin, thu nhỏ kích
thớc của các linh kiện điện tử.
Nghiên cứu về vật liệu từ đợc tập trung mạnh vào họ vật liệu có cấu trúc
perovskite ABO
3
(A là nguyên tố đất hiếm, B là các kim loại chuyển tiếp). Ngoài
sự xuất hiện của hiệu ứng từ trở khổng lồ (Colossal MagnetoResistance - CMR),
họ vật liệu ABO
3
còn thể hiện nhiều tính chất lý thú khác và thu hút đợc sự quan
tâm nghiên cứu.
Hầu hết các vật liệu perovskite ABO
3
đều thể hiện tính chất phản sắt từ-
điện môi. Khi đợc pha tạp lỗ trống bằng cách thay thế một phần nguyên tố đất
hiếm (R) bởi các kim loại kiềm thổ (A') nh Ba, Ca, Sr, Pb thì các hợp chất R
1-
x
A'
) và cơ chế trao đổi kép. Gần
đây, hiện tợng bất đồng nhất và tách pha trong các vật liệu đợc coi là yếu tố
đóng vai trò quan trọng trong tính dẫn mà đặc biệt là hiệu ứng từ trở từ trờng
thấp. Thêm vào đó, sự đồng tồn tại và cạnh tranh của các tơng tác trái dấu trong
các manganite cũng là những vấn đề rất đáng quan tâm bởi lẽ đây là nguyên nhân
gây nên hiện tợng bất thoả từ, và cùng với các yếu tố bất trật tự khác sẽ làm cho
các vật liệu thể hiện các tính chất thuỷ tinh từ.
Song song với việc nghiên cứu các vật liệu dạng khối, các vật liệu
manganite dạng màng mỏng với các tính chất nổi trội của chúng cũng đã thu hút
đợc sự quan tâm nghiên cứu đặc biệt. Bên cạnh việc khám phá ra hiệu ứng từ trở
lớn tại nhiệt độ phòng, vật liệu màng mỏng perovskite manganite đã đợc quan
tâm nghiên cứu bởi lý do khác đó là khả năng chế tạo đợc những màng mỏng có
chất lợng cao cũng nh tạo đợc những đơn tinh thể perovskite đa thành phần.
Các màng mỏng perovskite manganite đã đợc nghiên cứu chế tạo bằng nhiều
phơng pháp khác nhau nh phơng pháp phún xạ catốt (Cathod Sputtering),
phơng pháp epitaxy chùm phân tử (Molecular Beam Epitaxy - MBE) và phơng
pháp lắng đọng hoá học từ pha hơi kim loại - hữu cơ (Metal- Organic Chemical
Vapour Deposition - MOCVD). Tuy nhiên, phơng pháp phổ biến nhất là phơng
pháp bốc bay bằng xung laser (Pulse Laser Deposition - PLD). PLD là phơng
pháp có nhiều u điểm trong việc chế tạo màng mỏng của các ôxit đa thành phần
bởi nguyên lý làm việc đơn giản, hợp phần của vật liệu bia đợc đảm bảo trong
quá trình bốc bay.
Các nghiên cứu gần đây đều chỉ ra tính chất của các màng mỏng
manganite bị ảnh hởng mạnh bởi hiệu ứng gây biến dạng mạng, nó đợc xem
nh
yếu tố chính để phân biệt các tính chất của vật liệu màng với vật liệu khối. Sự
biến dạng mạng gây nên bởi ảnh hởng của đế do sai khác hằng số mạng giữa đế
- màng, quá trình xử lý nhiệt và hiệu ứng kích thớc. Đó có thể là nguyên nhân
cao nhất (~365K). Hợp chất này đợc xem là phù hợp nhất cho việc nghiên cứu
ứng dụng ở nhiệt độ phòng. Từ các lý do trên và dựa vào các điều kiện thiết bị sẵn
có, hớng nghiên cứu của phòng thí nghiệm nên chúng tôi đã lựa chọn đề tài cho
luận văn là: Nghiên cứu màng mỏng La
0,7
Sr
0,3
MnO
3
kích thớc nanô mét chế
tạo bằng phơng pháp bốc bay xung laser
Mục tiêu của luận văn:
+ Chế tạo thành công màng mỏng La
0.7
Sr
0.3
MnO
3
bằng phơng pháp bốc
bay xung laser.
+ Nghiên cứu ảnh hởng của các điều kiện chế tạo lên tính chất từ trở của
màng mỏng La
0.7
Sr
0.3
MnO
3
.
+ Nghiên cứu hiệu ứng từ trở từ trờng thấp của màng mỏng đa tinh thể
La
manganite
Các vật liệu perovskite ABO
3
(vị trí A đợc chiếm giữ bởi các nguyên tố
đất hiếm, ký hiệu là R, vị trí B- kim loại chuyển tiếp) đã và đang đợc quan tâm
nghiên cứu mạnh mẽ bởi các tính chất vật lý đa dạng và phong phú. Khi pha tạp
một phần đất hiếm bằng các kim loại có hoá trị 2
+
(ký hiệu A') nh Ba, Ca, Sr,
một số vật liệu R
1-x
A'
x
BO
3
(B = Mn, Co) đã làm thay đổi mạnh các tính chất, đặc
biệt là tính chất từ và tính chất dẫn của vật liệu. Sự biến đổi của các tính chất của
các manganite không chỉ phụ thuộc vào thành phần pha tạp, mà còn phụ thuộc
vào nhiệt độ, từ trờng, điện trờng, các tác nhân quang học Liên hệ mật thiết
với các tính chất từ và tính chất dẫn của các vật liệu này là các hiệu ứng méo
mạng, các hiệu ứng polaron, cơ chế trao đổi kép, hiện tợng chuyển pha trật tự
điện tích Các tính chất của vật liệu perovskite manganite còn trở nên phức tạp
hơn khi chúng bị giới hạn kích thớc. Các nghiên cứu trên vật liệu màng mỏng
perovskite manganite đã chỉ ra sự thay đổi đáng kể về tính chất so với vật liệu
dạng khối. Đối với các màng mỏng manganite, cấu trúc tinh thể, các tính chất
điện từ còn bị ảnh hởng mạnh bởi công nghệ chế tạo vật liệu nh quy trình xử
lý nhiệt, hiệu ứng kích thớc, hiệu ứng bề mặt, hiệu ứng biến dạng mạng gây ra
do sự sai khác hằng số mạng của vật liệu màng-đế Việc nghiên cứu các vật liệu
này nhằm cung cấp cho ta những hiểu biết sâu sắc hơn các tính chất, các hiệu ứng
vật lý cũng nh tạo điều kiện ứng dụng vật liệu này có hiệu quả hơn.
đổi kép DE vẫn cha đủ để giải thích một cách định lợng tính chất dẫn và hiệu
ứng CMR quan sát đợc bằng thực nghiệm.
Millis và các cộng sự [19,20] đã chứng minh đợc rằng bức tranh vật lý
trong các vật liệu R
1-x
A'
x
MnO
3
sẽ trở nên rõ ràng hơn khi kết hợp giữa cơ chế DE
và các hiệu ứng polaron, có nghĩa là các hiệu ứng liên kết mạnh giữa điện tử và
phonon liên quan đến sự méo mạng tinh thể Jahn-Teller (Jahn-Teller lattice
distortion). Các kết quả thực nghiệm còn cho thấy những bằng chứng khá thuyết
phục về sự tồn tại của các polaron từ (magnetic polaron) và mối tơng quan chặt
chẽ của chúng với các méo mạng Jahn-Teller [31]
Một số khái quát về cấu trúc tinh thể, cấu trúc điện tử, các tơng tác, các
hiện tợng điện-từ và mối liên hệ giữa những hiện tợng vật lý này trong các vật
liệu perovskite ABO
3
nền Mn sẽ đợc trình bày trong những phần dới đây.
1.1.1. Cấu trúc tinh thể và hiện tợng méo mạng
1.1.1.1. Cấu trúc tinh thể perovskite
Cấu trúc tinh thể perovskite ABO
3
lý tởng thuộc hệ lập phơng với các
tham số mạng a=b=c,
=
=
O
2-
. Đối với các manganite thì các ion đất
hiếm nh La, Nd, Pr nằm ở vị trí A, còn vị
trí B vị chiếm giữ bởi các ion Mn. Đặc
trng quan trọng của cấu trúc manganite
là sự tồn tại của bát diện MnO
6
với 6 ion
O
2-
tại 6 đỉnh và một ion Mn
3+
hoặc ion
Mn
4+
nằm tại tâm của bát diện (hình 1.2).
Sự sắp xếp của các bát diện tạo nên liên
kết Mn-O-Mn
, trong đó độ dài liên kết
MnO và góc liên kết đợc tạo bởi đờng nối giữa các ion Mn và ôxy gây ảnh
hởng chủ yếu lên tính chất của vật liệu manganite. Trong trờng hợp lý tởng,
góc = 180
o
và độ dài liên kết tới các đỉnh là không đổi. Tuy nhiên, trong trờng
hợp méo mạng, tuỳ theo thành phần hoá học cụ thể của vật liệu, cấu trúc tinh thể
sẽ không còn là lập phơng, độ dài liên kết Mn-O sẽ không đồng nhất và góc liên
kết Mn-O-Mn có thể sẽ khác 180
3
2g
xy
1
, d
xz
1
d
yz
1
,
còn trên mức e
2g
suy biến bậc 2 và chỉ có một điện tử nên có thể sắp xếp theo một
trong hai cách
hoặc . Với cách sắp xếp này chuyển động của
điện tử theo trục z sẽ cản tốt hơn hay nói cách khác là làm cho lực hút tĩnh điện
giữa ion ligan và ion Mn
o
yxz
dd
222
1
o
zyx
dd
222
1
222
1
Nếu hệ chỉ tồn tại một kiểu méo mạng JT thì ngời ta gọi đó là hiện tợng
méo tĩnh Jahn-Teller tĩnh (static Jahn-Teller
distortion), còn khi có cả hai kiểu méo thì
gọi là méo Jahn-Teller động (dynamic Jahn-
Teller distortion). Trong trờng hợp méo
động cấu trúc là không đồng nhất trên toàn
bộ vật liệu, tuy nhiên các quan sát vĩ mô là
không thể phát hiện đợc do sự trung bình
hoá. Ngoài ra, do liên kết đàn hồi giữa các vị
trí méo mạng, hiện tợng méo mạng thờng
mang tính chất tập thể.
H
ình 1.4. Méo mạng kiểu GdFeO
3
Một kiểu méo mạng khác thờng
đợc quan sát thấy trong các vật liệu manganite là méo mạng kiểu GdFeO
3
(hình
1.4). Méo mạng GdFeO
3
, khác với các méo mạng đồng trục JT, các bát diện
MnO
6
có thể quay đi một góc làm cho góc liên kết của Mn-O-Mn lệch khỏi
180
o
. Hiện tợng này là do sự không vừa khớp (mismatch) của các bán kính ion
3
có thể ổn
định khi 0.89 t 1.02. Các kiểu méo mạng có ảnh hởng rất lớn lên cờng độ
tơng tác, đặc biệt là tơng tác trao đổi kép và do đó ảnh hởng mạnh lên tính
chất vật lý của vật liệu manganite.
1.1.2. Các tơng tác trao đổi
1.1.2.1. Tơng tác siêu trao đổi (Super Exchange interaction- SE)
Khi xét các ion từ trong một số oxit kim loại chuyển tiếp nh MnO (có
nhiệt độ Neel T
N
=116 K), FeO (198 K), CoO (291 K), LaMnO
3
(140 K) , ngời
ta thấy rằng các ion kim loại chuyển tiếp trong các hợp chất đó đợc tách nhau
bởi các ion O
2-
không từ nên tơng tác trao đổi trực tiếp giữa các ion đó rất yếu.
Song trật tự từ trong các hợp chất này vẫn đợc hình thành do vậy ngời ta đã giả
thiết là tồn tại một loại tơng tác gián tiếp thông qua quĩ đạo p của oxy. Tơng
tác loại này đợc gọi là tơng tác siêu trao đổi (SE) hay tơng tác trao đổi gián
tiếp đợc Anderson đa
ra 1955 [2].
Xét manganite
không pha tạp lỗ trống,
chỉ có tơng tác trao đổi
giữa các ion Mn
3+
. Các
điện tử trong ion Mn
3+
2g
thờng rất yếu do các quỹ đạo này 14 hớng ra xa khỏi các anion. Do vậy, ta chỉ đề cập đến tơng tác siêu trao đổi
thông qua quỹ đạo e
g
và xét các góc liên kết Mn-O-Mn bằng 180
o
.
Goodenough-Kanamori đa ra quy tắc bán hiện tợng luận nh sau:
+ Khi hai cation có các thuỳ (lobe) của các orbital 3d hớng vào
nhau thì sự phủ quỹ đạo, và do đó tích phân nhảy là lớn, và tơng tác trao đổi là
phản sắt từ.
+ Khi các orbital của các ion lân cận không phủ nhau thì tích phân
phủ bằng không và sẽ tồn tại tơng tác sắt từ (tuy nhiên rất yếu so với tơng tác
phản sắt từ).
Các quy tắc này có thể giải thích rất tốt cho mô hình tơng tác trao đổi
phản sắt từ của các điện tử mức e
g
thông qua quỹ đạo p
của các điện tử dọc theo
liên kết Mn-O.
Đối với các tơng tác thông qua sự chồng phủ t
3
2g
4+
trong
A'MnO
3
sẽ là tơng tác phản sắt từ có mức e
g
là hoàn toàn trống (Hình 1.6).
Lý thuyết Goodenough cũng giải thích tốt pha từ của LaMnO
3
và CaMnO
3
bằng mối quan hệ liên kết đồng hoá trị giữa oxy và Mn
3+
hoặc Mn
4+
. Các tơng
tác SE không những phụ thuộc vào độ dài và góc liên kết B-O-B mà còn phụ
thuộc vào cấu hình điện tử của ion vị trí B.
1.1.2.2. Tơng tác trao đổi kép (Double Exchange Interaction - DE)
Khi thay thế một phần đất hiếm (có hóa trị 3+) bằng các kim loại kiềm thổ
(có hóa trị 2+) trong các hợp chất R
1-x
A
x
MnO
3
, để đảm bảo trung hoà điện tích,
2-
-Mn
4+
.
e
-
e
-
O
2-
Mn
3+
Mn
4+
Trên hình 1.7 là sơ đồ của cơ chế trao đổi kép của Zener đa ra năm 1951,
hai trạng thái (Mn
+3
O
-2
-Mn
+4
) và (Mn
+4
-O
-2
-Mn
+3
) là hai trạng thái suy biến của
cấu hình tơng tác nếu các spin của các ion này song song (tức là góc =(Mn-O-
Mn) =180
thế một phần R
3+
bằng A'
2+
trong R
1-x
A'
x
MnO
3
sẽ dẫn đến sự xuất hiện của Mn
4+
,
nảy sinh trao đổi kép sắt từ và làm tăng độ dẫn.
Với nồng độ lỗ trống đợc pha vào x 0.3, hầu hết các vật liệu
R
0.7
A'
0.3
MnO
3
có tính dẫn tốt và thể hiện tính sắt từ. Các nghiên cứu cho thấy hiệu
ứng từ trở cũng cho giá trị tối u đối với nồng độ pha tạp này. Phần lớn các nỗ
lực nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết nhằm nâng cao các giá trị từ trở cũng
nh giải thích hiệu ứng trong các manganite đều tập trung vào các hợp chất có
thành phần thay thế x 0.3 tức là tỉ phần Mn
4+
/Mn
3+
khoảng 7/3. Hình 1.8 là một
thích đợc về cơ bản các tính chất điện -
từ và mối liên quan giữa chúng cũng nh
hiệu ứng từ trở xảy ra gần nhiệt độ
chuyển pha T
C
trong các hợp chất
manganite.
Hình 1.8. Sự phụ thuộc nhiệt độ của từ
độ, điện trở đơn tinh thể
La
0.
7
Ca
0.3
MnO
3
. T
c
=215 K [32]
T (K)
M ( à
B
/Mn)
R (cm)17
MnO
3
đợc chỉ ra trên hình 1.10. Ta có thể nhận
thấy độ lớn của điện trở liên quan tới sự thay đổi của từ độ M: điện trở lớn tại lân
cận T
C
nhng rất nhỏ tại vùng nhiệt độ xa T
C
. Sự tăng nhanh của từ độ trong pha
sắt từ là do sự quay mômen từ của các đômen và ít ảnh hởng đến giá trị của điện
trở suất [34]. Nh vậy, với sự có mặt của từ trờng gây nên sự dập tắt mạnh của
Hình 1.10. Sự phụ thuộc từ trờng
của điện trở suất và từ độ tại các
nhiệt độ khác nhau của mẫu đơn
tinh thể La
0.825
Sr
0.175
MnO
3
[34]
Hình 1.9. Sự phụ thuộc nhiệt độ của
điện trở suất của mẫu đơn tinh thể
L
a
0.8
2
5
S
r
những màng mỏng có chất lợng cao và có thể tạo đợc những đơn tinh thể ôxit
perovskite đa thành phần.
Tính chất của các màng mỏng manganite bị ảnh hởng mạnh bởi hiệu ứng
gây biến dạng mạng mà nó có thể là nguyên nhân làm thay đổi các tính chất của
vật liệu nh cấu trúc, vi cấu trúc, nhiệt độ chuyển pha kim loại điện môi (T
MI
),
nhiệt độ chuyển pha sắt từ - thuận từ T
C
và đặc biệt là ảnh hởng đến hiệu ứng từ
trở. Trong phần này, chúng tôi xin trình bày sơ lợc các kết quả nghiên cứu thực
nghiệm về vật liệu màng mỏng manganite trong những năm qua.
1.2.1. Một số kết quả nghiên cứu trên màng mỏng perovskite manganite
Năm 1993, Von Helmolt và các cộng sự [10] đã thu đợc giá trị từ trở lớn
hơn 60 % trên màng mỏng La
0.67
Ba
0.23
MnO
3
ở nhiệt độ phòng trong từ trờng 7T
chế tạo bằng phơng pháp bốc bay xung laser. Thời điểm này đợc coi là mốc
khám phá ra hiệu ứng từ trở trong
màng mỏng manganite. Nghiên cứu
của các tác giả [10] nhận thấy nhiệt
độ đế tối u cho việc chế tạo màng
mỏng manganite là 600
o
C trong
môi trờng áp suất ôxy 300 mTorr.
K
[10]. 20 chỉ bằng 89% giá trị quan sát đợc trong vật liệu khối. Giá trị từ trở ( R/R(H = 0)
thu đợc khoảng 60% trong từ trờng 7T tại nhiệt độ phòng đợc chỉ ra trên hình
1.11.
Năm 1994, Jin và các
cộng sự [13] khi nghiên cứu
màng mỏng epitaxy
La
0.67
Ca
0.33
MnO
3
với độ dày
của màng khoảng 100nm chế
tạo bằng phơng pháp bốc bay
xung laser trên đế LaAlO
3
đã
nhận thấy sự suy giảm cỡ ba
bậc độ lớn của điện trở dới tác
dụng của từ trờng 6T. Các tác
giả đã chỉ ra nhiệt độ đế tối u
cho việc chế tạo màng mỏng
ộ
(
K
)
Hình 1.12. Sự phụ thuộc nhiệt độ của từ độ, điện
trở và từ trở mẫu màng epitaxy La
0.67
Ca
0.33
MnO
3
.
Từ trở đợc tính theo công thức
R/R
H
[13]
Có thể nhận thấy sự biến dạng do ảnh hởng của đế, ảnh hởng của hiệu
ứng kích thớc là yếu tố chính để phân biệt các tính chất của vật liệu manganite
dạng màng mỏng với các manganite dạng khối. Tính chất của các manganite
không chỉ phụ thuộc vào sự chồng phủ đám mây điện tử d của ion Mn với đám
mây điện tử p của ion O, mà còn phụ thuộc đáng kể vào độ dài liên kết Mn-O
cũng nh góc liên kết Mn-O-Mn. Nh vậy, sự biến dạng mạng trong các màng
mỏng gây nên sự thay đổi các thông số mạng so với vật liệu khối. Đây là nguyên
nhân gây ra thay đổi của độ dài liên kết Mn-O cũng nh góc liên kết Mn-O-Mn,
vì vậy sẽ ảnh hởng lên tính chất của manganite. Để có đợc các kết quả nh
mong muốn khi nghiên cứu vật liệu manganite dới dạng màng mỏng thì cần
khối
)/a
p
đế
. Nếu nhận giá trị dơng
tơng ứng với sự biến dạng căng, tức là ô mạ
và bị nén theo mặt phẳng ngoài của hớng
phát triển màng (hình 1.13a). Ngợc lại, giá
trị âm mô tả ứng suất nén, ô mạng bị kéo
dài ra theo hớng phát triển màng và bị nén
trong mặt phẳng màng (hình 1.13b). Sự sai
khác thông số mạng của đế gây ra sự biến
dạng các thông số mạng của vật liệu màng,
kết quả này gây ảnh hởng trực tiếp tới cấu
trúc và tính chất của các màng mỏng.
Hình 1.14 là ví dụ về sự thay đổi các
thông số
p
mặt phẳng ngoài
> a
p khối
p
mặt phẳng ngoài
< a
p khối
(b) a
p
khối
khoảng 30nm đợc chế tạo trên các đế LaAlO
3
(LAO), SrTiO
3
(STO) and
NdGaO
3
(NGO) [35]. Đỉnh cực đại nhiễu xạ 002 của PSMO/LAO và PSMO/STO
tại các vị trí 46.2
o
và 47.8
o
tơng ứng với các thông số mạng mặt phẳng ngoài
3.93
và 3.81 . So sánh với hằng số mạng của mẫu khối (3.87 ) chỉ ra rằng đế
STO đã gây ra ứng suất
căng và đế LAO gây ra
ứng suất nén đối với với
màng PSMO. Nguyên
nhân là do sự sai khác
giữa hằng số mạng của đế
và màng. Các đỉnh nhiễu
xạ của màng PSMO/NGO
không phân biệt đợc với
đế do sự sai khác hằng số
mạnh giữa màng PSMO
và đế NGO là rất nhỏ.
ảnh hởng của độ dày là những bằng chứng đầu tiên về sự biến đổi các
Biến dạng khối (%)
Thể tích ô cơ sở (
và
LaAlO
3
[25]. Kết quả phân tích từ
nhiễu xạ tia X đã chỉ ra rằng thể tích
của ô mạng bị thay đổi theo vật liệu
đế cũng nh độ dày của màng (hình
1.15). Các tác giả đã quan thấy sự sai
khác lớn về thông số mạng khi so
sánh với vật liệu khối. Khi chiều dày
của màng tăng cả hai thông số mạng
mặt phẳng trong và mặt phẳng ngoài
có xu hớng tiến dần tới giá trị của
Hằng số mạng c (nm)
Chiều dà
y
(nm)
H
ình 1.16. Sự phụ thuộc chiều dày của
hằng số mạng c của màng PSMO mọc trên
các đế NGO, LAO, STO tơng ứng [35] 23 vật liệu khối.
Hình 1.16 chỉ ra sự phụ thuộc các thông số mạng của trục c theo chiều dày
ay đổi của hằng số mạng theo độ
công nghệ nh ảnh hởng của đế,
điện từ cũng nh tính chất từ trở của vật
liệu.
Sun và các cộng sự [29] đã chỉ ra sự
ảnh hởn
Hình 1.17. Sự phụ thuộc nhiệt độ
của điện trở của các màng
La
0.67
Sr
0.33
MnO
3
với các độ dày
khác nhau trên đế NdGaO
3
và đế
LaAlO
3
[29].
La
0.67
Sr
0.33
MnO
3
(hình 1.17). Điện trở của
màng giảm khi tăng chiều dày. Hơn nữa,
đối với các màng có cùng chiều dày, điện
3
nhỏ hơn trên mẫu trên đế
LaAlO
3
nguyên nhân là do sự sai khác
hằng số mạng của đế NGO là 0.86% nhỏ
hơn so với đế LAO là -1.9%. Đối với
màng dày 1.5nm trên đế LAO giá trị của
điện trở suất tăng mạnh ở dới nhiệt độ
150K. Sự tăng điện trỏ của màng trên đế
LAO gây nên bởi lớp tiếp giáp. Khi không
có mặt của hiệu ứng này, điện trở của
màng trên đế LAO sẽ thấp hơn điện trở
của màng trên đế NGO, sự biến dạng nén
trong mặt phẳng màng trên đế LAO sẽ
làm giảm độ dài liên kết Mn-OMn trên
mặt phẳng màng và tăng cờng tính sắt từ.
Ngợc lại, độ dài liên kết với mặt phẳng
màng sẽ dài ra làm giảm khả năng nhảy
của điện tử và ngăn chặn tính dẫn kim
loại theo hớng vuông góc với mặt phẳng
màng.
Tính chất dẫn của màng mỏng
manganite phụ thuộc rất mạnh vào các
điều kiện công nghệ chế tạo mẫu [6,23,24,26]. Khi nghiên cứu ảnh hởng của
quá trình chế tạo mẫu lên tính chất dẫn các tác giả [6] đã chỉ ra ảnh hởng quá
trình xử lý nhiệt lên tính chất dẫn của màng mỏng manganite. Hình 1.18 chỉ ra sự
phụ thuộc nhiệt độ của điện trở các mẫu màng Nd
0.7
Sr
chế tạo và xử lý nhiệt sau đó. Sự thay đổi của nồng độ ôxy làm thay đổi tỷ số
Mn
3+
/Mn
4+
, gây nên sự thay đổi tính chất dẫn của các mẫu. Do nhiệt động lực học
trong quá trình chế tạo mẫu với nhiệt độ đế cao có thể gây thiếu hụt ôxy hơn, quá
trình xử lý nhiệt có thể điền đầy những khuyết thiếu ôxy.
1.2.1.3. ảnh hởng
lên tính chất từ
Các kết quả nghiên cứu lên tính chất từ của các màng mỏng manganite đều
chỉ ra sự biến đổi mạnh so với vật liệu khối nh sự suy giảm và mở rộng nhiệt độ
chuyển pha T
C
, tính chất từ dị hớng
ảnh hởng của sự biến dạng mạng có
thể đợc xem là thừa số chính làm thay
đổi tính chất từ của vật liệu manganite
màng mỏng với vật liệu dạng khối. Tính
dị hớng từ trong các màng mỏng
epitaxy phụ thuộc mạnh vào cờng độ
biến dạng. Mối liên quan giữa sự méo
mạng tinh thể và dị hớng từ trong các
màng mỏng đã đợc nghiên cứu nhng
do cha có tính nhất quán giữa các
nhóm nghiên cứu nên các kết quả
không mang tính định lợng. Sự không
thống nhất về kết quả trong các nhóm
nghiên cứu bắt nguồn từ các điều kiện công nghệ chế tạo khác nhau đã ảnh hởng
lên vi cấu trúc và lớp chết (dead layer) tại bề mặt phân cách. Mặt khác, sự biến
MnO
3
(
và
,
x=0.33) với biến dạng căng nh là hàm
của độ dày [14]
Copyright: Tài liệu đại học ©