[发明专利]具有正的场致电阻效应的异质结构材料及其制备方法和用途

说明书

技术领域

本发明涉及一种在(001)、(011)或其斜切取向具有反压电效应的PMN-PT衬底上生长Pr_0.7(Ca_1-xSr_x)_0.3MnO₃钙钛矿型锰氧化物薄膜所获得的具有正的场致电阻效应的异质结构材料及其制备方法和用途。

背景技术

基于电荷、轨道、自旋以及晶格等多种自由度之间强烈的耦合作用，ABO₃型钙钛矿型锰氧化物Re_1-xAe_xMnO₃（Re=La、Ce、Pr等，Ae=Ca、Sr、Ba等）拥有复杂的电磁和结构相图以及各种有趣的物理现象，如庞磁电阻效应、电荷、自旋、轨道有序现象、Jahn-Teller畸变、金属绝缘体相变、相分离等，涉及到凝聚态物理学的许多基本问题。电荷轨道有序现象是这其中最有趣、最重要的现象之一。在电荷轨道有序相变发生时，材料的性质如电阻、磁化率、晶格常数、比热等都会发生强烈变化。电荷轨道有序态对多种影响因素敏感，例如，原子掺杂、外加磁场、电场、氧同位素替代等均能破坏电荷轨道有序态。因此电荷轨道有序现象在研制可控性多功能微电子器件方面具有广阔的应用前景。

研究表明，多种外界物理因素（压力、磁场、光场等）均会对轨道有序态产生影响，使其融化，电阻出现大幅下降，例如磁场会部分融化有序态，在轨道有序转变点附近引起电阻下降，出现磁电阻。例如10T磁场下在电荷轨道有序转变温度位于265K的(011)取向Bi_0.4Ca_0.6MnO₃薄膜中观察到～20%的磁电阻。脉冲激光照射可使Pr_0.7Ca_0.3MnO₃中轨道有序融化，电阻幅度从～10⁹跳跃下降到～10³欧姆。

另一方面，晶格应变也一直是钙钛矿型锰氧化物中研究的核心问题。由衬底导致的应变会改变MnO₈八面体的畸变程度，影响双交换作用，进而影响宏观磁/电输运特性。例如，在具有反压电特性的PMN-PT基片上生长La_0.75Ca_0.25MnO₃薄膜，在衬底上外加静电场使薄膜承受的张应变减小，MnO₈八面体的畸变度减弱，载流子释放，电阻下降，从而产生负的场致电阻效应。1.2kV/mm的电场梯度下La_0.75Ca_0.25MnO₃薄膜出现的负的场致电阻幅度最大值达到83%。

在钙钛矿ABO₃结构中，A位原子的平均半径决定了其电子性质，对于窄带Pr_1-yCa_yMnO₃轨道有序体系，Sr²⁺代替Ca²⁺（Sr²⁺半径大于Ca²⁺）可减小MnO₈的畸变程度，增加锰氧化物的带宽，从而使电荷轨道有序相部分转变为铁磁相。电荷轨道有序相与铁磁相之间的竞争导致相分离现象。

由磁场引起的磁电阻以及静电场引起的场致电阻效应在多功能器件的设计和应用中具有广泛用途（如磁/电存储、微电子开关器件等），已报导的磁电阻以及场致电阻效应多为负的效应（即磁场、电场导致电阻下降）。到目前为止，很少有正的场致电阻效应（外加静电场导致电阻增大的效应）的报道。正的场致电阻效应在新型微电子器件设计和应用中具有特殊用途。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种具有正的场致电阻效应的异质结构材料及其制备方法和用途。

本发明的发明人经过大量的研究发现，将具有相分离特征的Pr_0.7(Ca_1-xSr_x)_0.3MnO₃薄膜生长在(001)、(011)或其斜切取向的PMN-PT基片上，利用由PMN-PT衬底引入的大的面内各向同性、面内各向异性张应变以及PMN-PT衬底的反压电特性可获得正的场致电阻效应，最大幅度达到10093%。

为有助于理解本发明，下面定义了一些术语。本发明定义的术语具有本发明相关领域的普通技术人员通常理解的含义。