楊少波

(北京印刷學院,北京 102600)

Pr0.5-xYxSr0.5Mn和Pr0.5Sr0.5-xCaxMn被發(fā)現(xiàn)在升溫過程中都經(jīng)過了反鐵磁—鐵磁轉變(在奈耳溫度TN處)和鐵磁—順磁轉變(在居里溫度TC處),并且在較高磁場作用下(5-7T)在這兩個轉變處都出現(xiàn)了一定龐磁電阻(CMR)效應,但實際上兩種CMR效應都是非常微弱的。也正因如此,這種現(xiàn)象一直沒有得到足夠的重視。如果某種材料能夠在較低磁場中同時具有兩種比較明顯的CMR效應,不論是物理內(nèi)涵還是在磁電子領域的應用,都 是 非 常 豐 富 的。2010 年Pr0.5Ba0.1Sr0.4Mn被發(fā)現(xiàn)在較低外加磁場中(0.5T)能夠出現(xiàn)比較明顯的CMR效應,但究竟是材料的本征效應還是來源于晶界的散射尚需進一步研究。為此我們用脈沖激光沉積方法(pulsed laser deposition,PLD)制備了Pr0.5Ba0.1Sr0.4MnO3外延薄膜。

1 Pr0.5Ba0.1Sr0.4MnO3外延薄膜的制備

本次實驗采用三軸取向的單晶(100)LaAIO3(LAO)作為基片,先用無水酒精超聲清洗基片3次,每次20分鐘。再將其置于PLD系統(tǒng)的真空腔內(nèi)后抽真空達到1.0×10-3Pa以下,通入純氧,當氧氣達到50Pa開始沉積薄膜。薄膜生長速率約100nm/min,薄膜最后厚度約3000nm。因為不同沉積溫度時薄膜可能有不同取向[4],所以我們在700℃～800℃的不同沉積溫度制備了多種薄膜。這些樣品的X射線θ-2θ掃描和φ掃描結果如圖1所示。結果顯示,只有在沉積溫度為740℃才能得到真正的三軸定向外延(單晶)薄膜。

圖1 Pr0.5Ba0.1Sr0.4MnO3外延薄膜的X射線θ-2θ掃描和φ掃描

2 Pr0.5Ba0.1Sr0.4MnO3外延薄膜的電磁性能

為研究Pr0.5Ba0.1Sr0.4MnO3外延薄膜的電學性能(ρ-T曲線)、磁學性能(M-T曲線)及其內(nèi)在聯(lián)系,在超導量子干涉儀上測量磁化強度—溫度曲線(M-T曲線)。此時由于誤差原因不能測零場MT,必須外加一小磁場(5mT)。然后在薄膜表面上用導電銀膠均勻、平行地粘上四個鍍銦電極,用標準的四端法在同一臺超導量子干涉儀上測得電阻—溫度曲線(ρ-T曲線)。先零場降溫到5K,然后外加磁場,從5K逐步升溫到300K,步長為2K。磁場分別為0T、0.2T。

Pr0.5Ba0.1Sr0.4MnO3外延薄膜的M-T曲線如圖2所示。從圖中可以看出,當溫度從5K增加到300K的過程中,樣品先在奈耳溫度TN處由反鐵磁態(tài)轉變?yōu)殍F磁狀態(tài)。然后在居里溫度TC處轉變?yōu)轫槾艖B(tài)。TN和TC定義為M-T曲線的左、右拐點,此處|dM/dT|取極大值[4]。在0.2T時,樣品的TN為137K,TC為272K;在5mT時,TN和TC分別為133K和264K。

圖2 Pr0.5Ba0.1Sr0.4MnO3外延薄膜的M-T曲線

Pr0.5Ba0.1Sr0.4MnO3外延薄膜的ρ-T曲線如圖3所示。對比M-T曲線和ρ-T曲線,可以清楚地看出,對應于M-T曲線上在奈耳點發(fā)生的反鐵磁—鐵磁轉變,在ρ-T曲線上相應地發(fā)生了絕緣體—半導體轉變;隨著溫度繼續(xù)升高到大約230-240K時,樣品由半導體變成了金屬;再升高溫度到居里點時,對應于M-T曲線上的鐵磁-順鐵磁轉變,在ρ-T曲線上相應地發(fā)生了金屬—半導體轉變。也就是說,在從4K到300K的升溫過程中,樣品先在奈耳點由反鐵磁絕緣體轉變?yōu)殍F磁半導體,再轉變?yōu)殍F磁金屬,最后在居里點轉變?yōu)轫槾虐雽w。

圖3 Pr0.5Ba0.1Sr0.4MnO3外延薄膜的ρ-T曲線

需要注意的是,在奈耳點時,樣品不是直接由反鐵磁絕緣體轉變?yōu)殍F磁金屬,而是先轉變?yōu)殍F磁半導體,然后再轉變?yōu)殍F磁金屬。這樣就在一段溫區(qū)內(nèi)(TN

根據(jù)前面測得的ρ-T曲線和計算磁電阻的公式:

得到了樣品的磁電阻—溫度曲線(MR-T)如圖4所示。

圖4 Pr0.5Ba0.1Sr0.4MnO3外延薄膜的MR-T曲線

從圖4中可以看出,對應于反鐵磁—鐵磁轉變和鐵磁—順磁轉變,在TN和TC處存在著兩個非常突出的磁電阻峰。在比較小的外加磁場(0.2T)下,樣品在TN處的磁電阻達到了約55%,在TC處的磁電阻約為15%,表現(xiàn)出了非常強的磁電阻效應。與以前對Pr0.5-xBaxSr0.5MnO3多晶塊材的研究[3]比較,外延薄膜顯示出了更強的CMR效應。說明在多晶塊材中晶界對CMR效應有一定的抑制作用。

3 結語

在本實驗中,制備了Pr0.5Ba0.1Sr0.4MnO3外延薄膜,研究了它們的電磁性能。結果表明,相對于Pr0.5Ba0.1Sr0.4MnO3多晶塊材,外延薄膜在更低外加磁場作用下,在奈耳點和居里點同時表現(xiàn)出更為強烈的龐磁電阻效應,真正體現(xiàn)出了半摻雜鈣鈦礦錳氧化物兩種CMR效應共存的特點。