[发明专利]一种具有垂直排列纳米结构的双层钙钛矿锰氧化物单相薄膜材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有垂直排列纳米结构的双层钙钛矿锰氧化物单相薄膜材料，其生长在衬底上，所述双层钙钛矿锰氧化物单相薄膜材料的化学式为La_1‑xCa_xMnO₃，0.35＜x≤1，其双层结构由一层沿着衬底外延生长的0‑40 nm厚的连续层和垂直于连续层的纳米柱层构成，所述纳米柱层沿着连续层外延生长。本发明还公开了一种具有垂直排列纳米结构的双层钙钛矿锰氧化物单相薄膜材料的制备方法及其应用。本发明的材料具有显著的垂直磁异向性和可调的、具有宽的工作温度范围的低场磁阻效应。

技术领域

本发明涉及锰氧化物薄膜材料领域，特别涉及一种具有垂直排列纳米结构的双层钙钛矿锰氧化物单相薄膜材料及其制备方法。

背景技术

具有垂直排列纳米结构的复杂氧化物薄膜材料相对于传统的平面结构的薄膜材料，因为其有比衬底面积大得多的垂直界面面积，以及额外生成的晶界，界面耦合和界面应变调节，使得其特性和功能性显著不同于传统的平面膜结构。

目前，具有垂直排列纳米结构的薄膜主要为两相的复合薄膜。这种垂直排列的纳米结构典型地可以在自组装的两相纳米复合膜中，由于两相之间以及每个相与衬底之间存在较大的晶格失配，诱导而形成。两相复合薄膜的第二相通常为二元或三元金属氧化物，如ZnO、MgO、V₂O₃、Sm₂O₃、CeO₂、NiO、CoFe₂O₄、NiFe₂O₄、BiFeO₃、BaZrO₃等。通过两相之间的强的耦合和界面以及晶界效应，可以获得增强的物理性能和多样的功能性，包括界面诱导的高温超导性、显著增强的低场磁阻、应变增强的铁电性、磁电性和多铁性，以及新型的介电耦合和磁光耦合效应等。然而，到目前为止，具有垂直排列的纳米结构的复杂氧化物单相薄膜，却鲜有报道。

垂直排列的纳米结构的合成是很复杂的一个技术。对于单相薄膜，仅仅通过控制衬底与薄膜之间的晶格失配，很难获得一个期望的垂直排列的纳米结构的生长。为了实现所期望的垂直排列的纳米结构，除了晶格应变外，还需要仔细地调整热力学和动力学参数，如衬底温度、氧气压力、组分、距离尺度、生长速率等，这被认为是一项非常尖端复杂的技术。钙钛矿锰氧化物具有巨磁电阻、相分离、大的自旋极化和磁各向异性等令人着迷的物理现象，从而提升了人们对自旋电子学的发展的期望。钙钛矿锰氧化物的本征的巨磁阻效应通常需要几个特斯拉的高磁场来触发，并且被限制在一个狭窄的温度范围内，这阻碍了实际应用，例如高密度磁存储设备或磁头传感器，它们往往需要在低磁场和宽的温度范围下运行。因此，钙钛矿锰氧化物中的外诱的低场磁阻效应更受到关注。这种外诱的低场磁阻效应可以在低的磁场下（小于1 T）和宽温度范围内实现高的磁阻。而要实现这种低场磁阻效应取决于对微观结构的控制，如界面、晶界和相界以及自旋极化隧穿结等微观结构控制。

本发明是采用脉冲激光沉积法沉积薄膜，同时在沉积的过程中，通过施加不同强度的强磁场来调节薄膜的微结构，制备出具备垂直磁异向性和可调的、可在宽的工作温度范围内工作的具有低场磁阻效应的双层钙钛矿锰氧化物单相薄膜材料。

发明内容

本发明设计了一种同时具有显著的垂直磁异向性和可调的、具有宽的工作温度范围的低场磁阻效应的垂直排列的双层钙钛矿锰氧化物单相薄膜材料。

本发明提供了实现可调的垂直排列纳米结构双层钙钛矿镧钙锰氧单相薄膜材料的制备方法。

本发明所设计的技术方案为：

钙钛矿镧钙锰氧单相薄膜材料，由镧、钙、锰和氧元素等组成的薄膜。

所述薄膜是化学式为La_1-xCa_xMnO₃的钙钛矿单相薄膜，所述化学式中的La为镧、Ca为钙、Mn为锰、O为氧。x为元素组分，0.35＜x≤1。