Sm0.6Nd0.4NiO3/LaAlO3异质外延薄膜中的金属绝缘体转变

摘要

在凝聚态物理中，金属绝缘体转变（MI转变）是一个存在已久的课题。几十年来，人们一直试图从实验和理论上揭示金属绝缘体转变背后所蕴藏的基本机制。钙钛矿稀土镍酸盐ReNiO3是一类典型的具有MI转变的电子强关联材料，这里Re通常指除La以外的La系过渡金属元素，还包括如Tl、Bi等重金属元素。随着温度的降低，这类材料从高温顺磁金属态向低温反铁磁绝缘态转变，在MI转变温度(TMI)附近有很大的电导率改变，具有非常陡峭的金属-绝缘体转变。然而，目前对ReNiO3的MI转变性质并没有统一的认识，而且由于ReNiO3制备困难，即使是相同制备方法得到的样品也存在很大差异，不同研究组之间样品的重复性差，因此，还需要更多的研究工作来分析ReNiO3中的MI转变、电子输运、结构变化以及体系内部各种相互作用之间的联系。现代电子技术的发展，使得人们更加关注材料在室温附近的电学行为。因此，为了将来可能的应用前景，我们针对ReNiO3体系中转变温度在室温附近的Sm0.6Nd0.4NiO3开展研究。
　　本论文分为四个部分（四章）:第一部分是文献综述;第二部分是LaAlO3衬底上Sm0.6Nd0.4NiO3外延薄膜的制备及生长条件对其MI转变的影响;第三部分是关于施加DC电流导致Sm0.6Nd0.4NiO3/LaAlO3外延薄膜发生MI转变的研究工作;第四部分是Sm0.6Nd0.4NiO3/LaAlO3外延薄膜MI转变点附近的结构变化。
　　第一章是背景知识介绍以及相关工作最新研究进展的文献综述。首先介绍了关联电子氧化物中MI转变的几种机制如能带理论、Mott转变与Anderson转变。其次介绍了钙钛矿稀土镍酸盐ReNiO3的研究历史与现状。最后说明了本论文的研究内容及方法。
　　第二章是关于Sm0.6Nd0.4NiO3/LaAlO3外延薄膜的制备及表征方面的工作。首先简单介绍了脉冲激光沉积（简称PLD）技术制备外延薄膜的基本原理。PLD是一种物理气相沉积技术，被公认是制备薄膜的最好方法之一。然后介绍了Sm0.6Nd0.4NiO3 PLD靶材的固相烧结法制备工艺，以及所用衬底的考虑。接着介绍了Sm0.6Nd0.4NiO3/LaAlO3外延薄膜的PLD生长工艺，并简单介绍了表征薄膜性质的各种手段，如原子力显微镜(AFM)对表面形貌的表征、X射线衍射(XRD)对结构的表征、以及四探针法对薄膜电学性能的测试。最后，我们分析了生长氧压及衬底温度对外延薄膜MI转变的影响:(1)不同生长氧压的薄膜均表现出明显的MI转变，随着生长氧压的降低，薄膜中的氧空位浓度增加，其TMI由365K降至220K，薄膜out-of-plane方向的晶格参数有轻微的减小，我们认为出现这种变化的原因是Ni3+-Ni2+价态的变化、Ni-O键长的变大、Ni-O-Ni键角的变小以及Ni3-δ-O2--Ni3+δ电荷有序态的形成四者相互竞争的结果。(2)尽管薄膜的外延结构随衬底温度从700℃上升到900℃几乎不变，但其MI转变出现了很大的变化。其中850℃生长的薄膜TMI为280K，具有最陡峭的MI转变，可以用作下一步的实验研究。
　　第三章讨论了DC电流对薄膜MI转变的影响。首先我们分析了Sm0.6Nd0.4NiO3/LaAlO3外延薄膜的结构、表面形貌以及电阻率随温度变化的关系（ρ-T曲线）等基本性质。随后对其ρ-T曲线进行了拟合，发现薄膜在低温绝缘态下的电导性质受变程跳跃机制(VRH)与热激发机制同时作用的Dual-conduction机制控制。接着我们报道了TMI随DC电流增加从280K单调连续降低至200K的现象，并构建了Sm0.6Nd0.4NiO3/LaAlO3薄膜的MI转变相图。最后根据Sm0.6Nd0.4NiO3/LaAlO3薄膜的非线性I-V曲线，我们认为当温度低于TMI时，对样品施加DC电流破坏了薄膜中原有的Ni3+δ-O2--Ni3-δ电荷局域有序态，使薄膜由绝缘态向金属态转变。
　　第四章是Sm0.6Nd0.4NiO3/LaAlO3外延薄膜在MI转变点附近NiO6八面体旋转的原位同步辐射高分辨XRD表征工作。氧八面体旋转与金属绝缘体转变、磁相变等密切相关，通过测量由NiO6八面体旋转引起的Bragg半指数衍射峰，可以了解Sm0.6Nd0.4NiO3/LaAlO3外延薄膜中的结构变化与MI转变的关系。我们发现:在温度引起的MI转变中，(1/21/23/2)半指数衍射峰强度在MI转变温度上下发生了明显的改变，而(1/202)则没有改变，表明伴随MI转变，NiO6八面体沿[010]方向发生旋转。而在电流驱动的MI转变中，这两个不等价的半指数衍射峰均未发生明显的改变，表明NiO6八面体在电流驱动的MI转变中结构未发生变化，相应的MI转变基本上属于电子行为。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 关联电子氧化物中的金属绝缘体转变

1．2 金属绝缘体转变的基本机制

1．2．1 能带理论

1．2．2 Mott转变

1．2．3 Anderson转变

1．3 钙钛矿稀土镍酸盐ReNiO3

1．3．1 ReNiO3陶瓷、薄膜的制备及其中的氧空位

1．3．2 晶体结构与MI转变

1．3．3 压力与外延应变的作用

1．3．4 电场调控ReNiO3的MI转变

1．3．5 ReNiO3中MI转变的机制

1．4 本论文的研究内容及方法

参考文献

第2章 生长氧压与温度对Sm0．6Nd0．4NiO3／LaAlO3外延薄膜MI转变的影响

2．1 Sm0．6Nd0．4NiO3／LaAlO3外延薄膜的制备

2．1．1 脉冲激光沉积(PLD)

2．1．2 靶材制备与衬底选择

2．1．3 PLD制备Sm0．6Nd0．4NiO3薄膜

2．2 Sm0．6Nd0．4NiO3／LaAlO3外延薄膜的表征

2．2．1 表面形貌的原子力显微镜表征

2．2．2 薄膜结构的X射线衍射表征

2．2．3 薄膜的电学性能表征

2．3 生长氧压对Sm0．6Nd0．4NiO3-δ外延薄膜MI转变的影响

2．3．1 背景介绍

2．3．2 实验结果与讨论

2．4 衬底温度对Sm0．6Nd0．4NiO3-δ外延薄膜MI转变的影响

2．4．1 背景介绍

2．4．2 实验结果与讨论

本章小结

参考文献

第3章 电流调控Sm0．6Nd0．4NiO3／LaAlO3外延薄膜的MI转变

3．1 Sm0．6Nd0．4NiO3／LaAlO3薄膜的基本性质

3．1．1 同步辐射高分辨XRD结构表征

3．1．2 表面形貌

3．1．3 ρ-T曲线

3．2 DC电流对薄膜MI转变的调控

3．2．1 不同电流下的R-T曲线

3．2．2 薄膜的非线性I-V关系

3．2．3 MI转变相图

本章小结

参考文献

第4章 Sm0．6Nd0．4NiO3／LaAlO3外延薄膜中NiO6八面体在MI转变附近的结构变化

4．1 氧八面体旋转与半指数衍射峰

4．1．1 钙钛矿氧化物材料中的八面体旋转

4．1．2 半指数衍射峰表征八面体旋转

4．2 原位变温XRD

4．2．1 实验装置

4．2．2 测试方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 MI转变温度附近NiO6八面体的结构变化

4．3．2 低温下施加DC电流时薄膜的半指数衍射峰

本章小结

参考文献

第5章 结论与展望

5．1 论文内容总结

5．2 本论文创新点

5．3 氧八面体旋转在钙钛矿体系薄膜中的研究展望

5．3．1 氧八面体旋转与MI转变的定量分析

5．3．2 反常散射测量Ni3+δ-O2--Ni3-δ电荷序

5．3．3 氧八面体旋转的应变调控：面内各向异性应变与实时应变调控

参考文献

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果

致谢