外延應力調控（111）取向La0.66Sr0.33MnO3外延薄膜的物理性質

祁明群，吳真平（通信作者）

（北京郵電大學理學院 北京 100876）

0 引言

鈣鈦礦型錳氧化物La1-xAxMnO3（A=堿土金屬）由于其特殊的磁性和輸運行為，如巨磁電阻（CMR）[1-2]，引起了人們的廣泛關注。由于自旋、電荷、軌道和晶格自由度的相互競爭，這些材料具有豐富而復雜的相圖。La1-xAxMnO3在摻雜水平為0.25＜x＜0.33，在200 K＜TP＜300 K溫度下表現出金屬-絕緣體（MI）和鐵磁-順磁（FP）同時轉變的CMR特性。這使得它們成為磁性隨機存儲器、磁性傳感器和各種自旋電子學設備。此外，這些材料（以及其他鈣鈦礦氧化物）與金屬制成的界面顯示出非揮發性和可逆的電阻特性，使它們適合于執行電阻隨機存取存儲器（RRAM）。

在塊狀材料中，物理性質與堿土金屬摻雜相關，堿土金屬摻雜將Mn3+修改為Mn4+，進而影響MnO6八面體結構的系統耦合。此外，在薄膜形式下，這些固有的物理性質會受到生長方法、沉積參數和襯底誘導應變的影響[3-5]。

我們研究了輸運特性對襯底材料的依賴關系。導電機理強烈依賴于薄膜與所用襯底之間的晶格失配。在本文中，我們擴展了薄膜厚度對生長在SrTiO3（STO）襯底上的La0.66Sr0.33MnO3（LSMO）薄膜結構、磁性和電輸運性質的影響研究。當薄膜厚度從5 nm增加到50 nm時，應變會發生系統的變化。我們還提出了結構性質與相應的磁性、電輸運和磁電阻之間的關系，作為薄膜中感生應變的函數。此外，我們展示了我們的薄膜作為基于電阻開關機制的RRAM存儲設備的能力。

1 實驗方法

采用脈沖激光沉積法（PLD）工藝在STO（111）單晶襯底上沉積了不同厚度的LSMO薄膜。在氧分壓為200 mTorr的條件下，在750 ℃下生長了厚度為5 nm、10 nm、25 nm、35 nm、50 nm的LSMO薄膜。沉積過程中，激光頻率和能量密度分別保持在5 Hz和1.0 J/cm2。薄膜在高溫下生長后，樣品在100 Torr的氧氣環境中冷卻到室溫。物理性質測量系統（PPMS）用于磁輸運特性的測量，包括電阻率和磁電阻率的測量。

2 結果與分析

如圖1所示，我們測量了不同厚度的LSMO薄膜電阻率隨溫度的變化曲線。顯而易見地，隨著薄膜厚度的減小，薄膜的電阻率呈現出梯度的上升。并且伴隨著居里溫度（TC）向低溫區發生移動。這是由于隨著薄膜厚度的減薄，襯底和LSMO之間晶格失配引起的應力作用越發的明顯。導致了LSMO晶格發生畸變，從而引起了錳氧八面體的鍵角和鍵長的變化。使得電子躍遷被抑制，金屬性向低溫區移動。

如圖2（a）所示，我們選取具有代表性的5 nm、10 nm、35 nm的薄膜進行不同溫度的磁阻測量。測試結果表明，隨著薄膜厚度的增加。磁阻曲線的最大值向著高溫區移動。這是因為溫度升高會降低LSMO薄膜的磁晶各向異性，導致飽和磁化減小。使得鐵磁性向高溫度移動。在圖2（b～d）中，我們利用計算模型ρ（T）=ρ0+ATα來擬合LSMO在低溫50 K到200 K的導電模型隨膜厚的變化。其中ρ0為殘余電阻率，A為自由擬合參數，Tα為可模擬不同散射過程的通用次冪。當α=2時，代表著電子-電子耦合散射；當α=3時，代表著異常單磁振子耦合散射；當α=3.5時，代表著自旋波耦合散射。由三種散射過程擬合方差（R2）可知，隨著薄膜厚度減薄，導電機理從電子-電子耦合散射向異常單磁振子耦合散射移動。這表明，薄膜越薄，晶格失配應力對薄膜的影響程度越大。

如圖3（a）所示，我們測量并統計了薄膜在不同溫度下的磁阻隨厚度的變化情況。典型的，隨著薄膜厚度的增加，薄膜的磁阻在各個溫度下都顯示出減小的變化趨勢。這是由于隨著薄膜的增厚，LSMO中的晶格應變逐漸弛豫，晶格常數越來越向本征塊材靠近，磁晶各項異性減弱，磁阻隨之減弱。總結的電阻率、居里溫度和矯頑場隨薄膜厚度的變化情況如圖3（b～d）所示。這種變化規律驗證了我們提出的外延應力主導薄膜厚度對薄膜輸運性質影響的猜測。

3 結論

綜上所述，本文研究了薄膜厚度和誘導應變對生長在STO（111）襯底上的外延LSMO薄膜結構和物理性能的影響。我們觀察到，當薄膜厚度從5 nm增加到35 nm時，會引起重要的應變弛豫，進而影響LSMO薄膜的輸運和磁性行為。研究了不同薄膜厚度下不同溫度范圍內的居里溫度（TC）和輸運機制與薄膜結構性質的關系。