結果與討論

本實驗為研究超薄 La0.7Sr0.3MnO3與 La0.5Ca0.5MnO3龐磁阻材料雙 層異質結構薄膜，探討其磁性與電性特性。首先先探討單層薄膜的特 性，再研究雙層薄膜結構性質的改變與機制。

4-1 鑭鈣錳氧(La

0.5

Ca

0.5

MnO

3)、鑭鍶錳氧(La_0.7

Sr

0.3

MnO

3) 單層薄膜之物理特性分析

La0.5Ca0.5MnO3的靶材是利用固態燒結法製作而成，將 La2O3、 MnCO3、CaCO3粉末依照化學比例調配，經過高溫 1400℃持溫 40 小 時反覆燒結而成。燒結完成的靶材，刮取些許粉末測量 XRD，確定 燒結的靶材結構與成分。圖 4-1 為 La0.5Ca0.5MnO3靶材粉末的 XRD 數 據圖，黑色數據為實驗所量測的值，紅色數據為資料庫提供的值，可 以發現實驗值與資料庫提供的值非常吻合，因此可以知道靶材的成分 是正確的。確定靶材的成分後，即可接續探討薄膜的特性。

27

圖 4-1 La0.5Ca0.5MnO3靶材粉末的 XRD 圖。

薄膜的成長條件須考慮多因素的改變，如溫度、氧壓…等，因此 為得到較好的成長條件，須經過測試。參考文獻上的條件[35,36]，先 改變鍍膜時的溫度，確定溫度後，改變氧壓，皆透過 XRD 數據分析 軸向結構是否正確與 AFM 得知表面形貌與平整度來判斷，得到較佳 的鍍膜條件環境，表 4-1 即為本實驗薄膜的成長條件。

表 4-1 薄膜成長條件

材料 溫度 氧壓 雷射能量 雷射頻率

La0.5Ca0.5MnO3 750℃ 0.4 torr 300 mJ 5 Hz

La0.7Sr0.3MnO3 750℃ 0.3 torr 300 mJ 5 Hz

28

La

0.5

Ca

0.5

MnO

3

(LCMO)單層薄膜之特性：

當薄膜與基板的晶格不匹配(lattice mismatch)時，會產生介面層 的二維應變效應，伸張與壓縮應變效應(tensile；compressive strain)。

因此成長在不同的基板，薄膜的物理特性也會有所不同[37,38]。

LCMO 薄膜成長在 SrLaAlO4(SLAO)(001)基板上，薄膜的晶格常數小 於基板的晶格常數，如表 4-2，可知 LCMO 成長在基板上會是 b 軸朝

29

薄膜成長在基板上，可由 XRD 數據得知成長軸向與形成薄膜後 的晶格常數，如圖 4-2(a)，LCMO 薄膜除了 b 軸峰值及基板的峰值之 外，沒有其它的雜相出現，樣品的結構為純粹 b 軸取向。圖 4-2(b)為 LCMO(040)峰值放大圖，可觀察到不同膜厚 30 nm、80 nm、160 nm 及 250 nm 之 2θ不同。利用 3-1 式算出 b 軸的長度，再代入 4-2 式得 到各個膜厚的薄膜所受到的應力程度，表 4-3 為計算的結果。由表 4-3 可看出膜厚越厚，所受到的應力程度就越小，30 nm 受到的應力程度 為 1.676%、80 與 160 nm 為 0.864%、250 nm 為 0.223%。因為應力程 度會隨薄膜厚度增加應力釋放而逐漸減小。

薄膜的成長除了確定軸向外，成長的表面形貌也是重點之一。

圖 4-3 為 LCMO 薄膜不同厚度時的 AFM 圖，掃描範圍為 3μm × 1 μm，圖(a)為膜厚 30 nm，顏色高度差為 2 nm 到-2 nm；(b)為 80 nm，

顏色高度差為 10 nm 到-10 nm；(c)為 160 nm，顏色高度差為 7 nm 到 -7 nm；(d)為 250 nm，顏色高度差為 15 nm 到-15 nm。由圖可看出薄 膜成長為顆粒狀的堆疊且有秩序的沿同一方向排列，且隨著膜厚的增 加，晶粒有變大的趨勢。

30

圖 4-2 (a) LCMO 不同膜厚成長在 SLAO 基板之 XRD 圖；(b) LCMO(040)峰值 放大圖。

表 4-3 LCMO 薄膜不同膜厚之 b 軸晶格常數與伸長應力程度

thickness 30 nm 80 nm 160 nm 250 nm

2θ (degree) 46.75 47.15 47.15 47.45

b (Å ) 7.766 7.704 7.704 7.655 strain 1.676% 0.864% 0.864% 0.223%

31

(a)

(b)

(c)

(d)

圖 4-3 LCMO 不同厚度的表面形貌。(a)30 nm (b) 80 nm (c) 160 nm (d) 250 nm。

32

33

圖 4-4 LCMO 薄膜厚度 30 nm 與 250 nm 磁矩對溫度的關係圖。

圖 4-5 LCMO 不同厚度薄膜電阻率與溫度的關係圖。

34

La

0.7

Sr

0.3

MnO

3

(LSMO)單層薄膜之特性：

LSMO 薄膜成長條件如表 4-1 所示。表 4-4 顯示 LSMO 與基板之 晶格常數，可推以計算出 LSMO 的晶格不匹配度。由表中之晶格常 數得知，薄膜成長的軸向為 c 軸時與基板最匹配，由圖 4-6 所示之 XRD 結果，可以看出薄膜的成長軸向確定為純 c 軸取向，且沒有其 他的雜相出現。另由 XRD 結果可推得成長在基板後 LSMO 薄膜的 c 軸長度為 3.899 Å，與薄膜平面受壓縮應變效應而 c 軸變長的推測吻 合。

表 4-4 LSMO 與 SLAO 晶格常數表

a (Å ) b (Å ) c (Å ) mismatch

La_0.7Sr_0.3MnO₃ 3.885 3.885 3.885 a,b : 3.43 % SrLaAlO4 (001) 3.756 3.756 12.637

圖 4-6 LSMO 成長在 SLAO 基板之 XRD 圖。

35

36

圖 4-7 LSMO 薄膜厚度 120 nm 磁矩與溫度之關係。

圖 4-8 LSMO 厚度為(a) 120 nm (b) 6 nm (c) 4.5 nm 的電阻與溫度之關係 圖。

37

圖 4-9 LSMO 不同厚度成長在 STO 基板的電阻率與溫度之關係圖[39]。

38

39

就是金屬性質，而是在 205 K 時才導通行成金屬通道。圖(e)為 LSMO 厚度為 7.5 nm 的電阻與溫度之關係圖，可觀察到已完全是金屬特性，

可猜想 LSMO 在此厚度成長在 LCMO 上已形成連續性的薄膜，因此 量測結果呈現 LSMO 的金屬特性。

圖 4-10 LSMO 不同厚度的雙層結構電阻與溫度之關係圖。(a) 1.5 nm (b) 3 nm (c) 4.5 nm (d) 6 nm (e) 7.5 nm。

40

41

由圖(d)與圖(c)作比較，發現雙層結構所量測的結果並不是只有單層 LSMO 或 LCMO 薄膜的結果，而是兩者間互相影響的結果。因此認 為 LSMO 在磁性上有很大的貢獻，所以接著想要探討不同厚度的 LSMO 成長在 LCMO 上的表面磁性樣貌，觀察其磁力線分布的改變。

42

圖 4-11 LSMO 不同厚度的雙層結構磁矩與溫度之關係圖(a) 1.5 nm (b) 4.5 nm (c) 6 nm。(d) LSMO 厚度為 6 nm 時磁矩與溫度之關係圖。

圖 4-12 LSMO 不同厚度成長在 STO 基板的磁矩與溫度之關係圖[39]。

43

44

45

46

圖 4-13 LSMO 厚度為 120 nm 磁矩與外加磁場的關係圖。

表 4-5 LSMO 厚度 120 nm 磁滯曲線三個方向的矯頑場及方正比數值

圖 4-14 LSMO 厚度 120 nm 磁極示意圖。(a) 未加磁場 (b) 外加磁場 600 Oe (c) 外加磁場 300 Oe。

Hc(Oe) SQR=Mr/Ms

In-plane-0 37 0.59 In-plane-90 39 0.58 Out-of-plane 50 0.84

47

圖 4-15 LSMO 厚度 120 nm 成長在 SLAO 的 MFM 影像。

圖 4-16 LSMO 厚度 120 nm 成長在基板於外加磁場的 MFM 影像 (外加磁場 600、300 Oe，方向由左至右)。

圖 4-17 LSMO 厚度 120 nm 成長在基板於外加磁場降為 0 Oe 的 MFM 影像。

48

圖 4-18 LSMO 厚度 120 nm 成長在基板於外加磁場的 MFM 影像 (外加磁場 600、300 Oe，方向由右至左)。

圖 4-19 LSMO 厚度 6 nm 成長在 SLAO 的 MFM 影像。

圖 4-20 LSMO 厚度 6 nm 的雙層結構之 MFM 影像。

49

圖 4-21 LSMO 厚度 6 nm 雙層結構外加磁場之 MFM 影像 (外加磁場 600 、300 Oe，方向由左至右)。

圖 4-22 LSMO 厚度 7.5 nm 的雙層結構之 MFM 影像。

圖 4-23 LSMO 厚度 7.5 nm 雙層結構外加磁場之 MFM 影像 (外加磁場 600 、300 Oe，方向由左至右)。

50

圖 4-24 LSMO 厚度 7.5 nm 雙層結構於外加磁場降為 0 Oe 的 MFM 影像。

圖 4-25 LSMO 厚度 7.5 nm 雙層結構外加磁場之 MFM 影像 (外加磁場 600 、300 Oe，方向由右至左)。

51

52

鐵磁性材料成長在龐磁阻 CE-type 反鐵磁及電荷有序材料上，發 現磁性與傳輸特性皆會互相影響，尤其是 LSMO 磁異向性及磁力線 分布上的改變值得進一步深入探討，未來可有更詳盡的系統性研究，

對此一有趣的現象背後的物理機制加以釐清。

53

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在文檔中 超薄La(0.7)Sr(0.3)MnO(3) / La(0.5)Ca(0.5)MnO(3)雙層異質結構磁電特性研究 (頁 37-66)