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研究生:李秀娟
研究生(外文):Hsiu-Chuan Li
論文名稱:超巨磁阻La0.67Ca0.33MnO3薄膜的微觀結構和磁阻關係之研究
論文名稱(外文):The Study of Microstructure and Magnetoresistance of La0.67Ca0.33MnO3
指導教授:甘德新
指導教授(外文):Der-shin Gan
學位類別:碩士
校院名稱:國立中山大學
系所名稱:材料科學研究所
學門:工程學門
學類:材料工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:76
中文關鍵詞:微結構薄膜鑭-鈣-錳-氧超巨磁阻
外文關鍵詞:MicrostructureThin filmLa-Ca-Mn-OColossal magnetoresistance
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摘 要
近年來,發現鈣鈦礦結構中的亞錳酸鹽磊晶薄膜之巨磁阻效應可被應用於磁性隨機存取記憶體(MRAM)和感應器,因此該磁阻的研究被廣泛受到重視。許多研究指出磁阻效應與材料的微觀結構有密切的關連且發現薄的磊晶薄膜較厚的磊晶薄膜更具有應用價值,因此本實驗乃針對超巨磁阻材料厚度約為400Å-600Å的鑭鈣錳氧(La0.67Ca0.33MnO3,LCMO)薄膜的微觀結構和磁阻關係做一深入的探討。
本實驗所研究的LCMO薄膜乃是採用射頻磁控濺鍍法(RF Sputtering),以鈦酸鍶(SrTiO3,STO)為基板(001),在750℃的成長溫度下,濺鍍薄膜,成長時間分別為3分鐘、6分鐘和12分鐘。薄膜的結構採用X光繞射儀分析,掃瞄式電子顯微鏡則是觀察薄膜的表面形貌而穿透式電子顯微鏡則是用來觀察LCMO/STO薄膜的微觀結構,最後利用四點探針,在溫度從300K降到77K的範圍中,量測薄膜的磁性轉換溫度。
實驗結果顯示所成長的LCMO薄膜在短時間的成長下,呈現非晶質的結構,隨著成長時間增長,逐漸變為一多晶(polycrystal)且具有{001}順向結構,薄膜晶粒尺寸非常小屬於奈米級同時具有雙晶面(twin plane)存在。磁阻效應隨著薄膜的結晶性越好而增加,同時薄膜的居禮溫度Tc也隨之升高。
Abstract
Recent progress in oxide perovskite thin-film technology has led to the discovery of a large negative magnetoresistance in doped manganate perovskite thin films. These films may have potentials for magnetic random access memory (MRAM) and magnetic sensors. Therefore, the research of magnetoresistance has been attracted a lot of attentions.
The magnetoresistance is directly related to the microstructure. In an application point of view, the ulta-thin film may be more appropriate compares with those utilizing with thicker films. In this paper, we report the detail results of electrical property of La0.67Ca0.33MnO3 (LCMO) films related with their microstructure. The La0.67Ca0.33MnO3 (LCMO) films were deposited on (001) STO substrate with RF sputtering technique. The working pressure was maintained at 100m torr and the growth temperature was kept at 750℃. After growth the films was annealed at 850℃ for 1 hour in a 500 torr O2 annealing environment. The growth time was 3mins.、6mins. and 12mins. respectively.
The crystal structure of LCMO films were characterized with X-ray diffraction (XRD). The surface morphology of LCMO films were observed by scanning electron microscope (SEM) and the interface of microstructure between LCMO films and STO substrate were investigated by transmission electron microscope (TEM). Finally the M-I transition temperature were evaluated with 4-point probe at the temperature range from 300K down to 77K.
The results show that the LCMO films were amorphous when the growth time was in 3 mins. The microstructure of the film gradually became poly-crystal and had a (001) prefer orientation after the growth time increasing to 6 mins. The grain size of the 12 mins growth film was at 40-50 nm scale. The Curie temperature and magnetoresistance change of these films were increased as the degree of crystallization of these films became better.
目 錄
目錄Ⅰ
表目錄Ⅲ
圖目錄Ⅳ
第一章 前言1
1-1簡介1
1-2實驗動機2
1-3樣品介紹8
第二章 基礎理論12
2-1磁性理論12
2-1-1磁性的來源12
2-1-2磁性的性質14
2-1-3磁性分類15
2-2磁阻的特性19
2-2-1磁阻效應19
2-2-2磁阻種類19
2-3巨磁阻理論21
2-3-1雙重交換理論21
2-3-2 Jahn Teller distortion22
第三章 實驗方法和儀器23
3-1試片準備23
3-1-1清洗23
3-1-2 TEM試片製作23
3-2實驗儀器和原理24
3-2-1 X光繞射儀24
3-2-2掃瞄式電子顯微鏡25
3-2-3穿透式電子顯微鏡26
3-2-4磁性量測29
第四章 結果與討論31
4-1 X光繞射分析31
4-2掃瞄式電子顯微鏡41
4-3穿透式電子顯微鏡45
4-4磁性量測56
第五章 結論62
第六章 參考文獻64
表 目 錄
表一.各種隨機記憶體性質比較2
圖 目 錄
圖1.La0.7Sr0.3MnO3薄膜和基板SrTiO3之間的柱狀結構5
圖2.La0.7Sr0.3MnO3薄膜和基板SrTiO3界面間HRTEM影像,箭頭處有一差排(dislocation)存在5
圖3.(a)(b)(c)分別代表在590℃、720℃和890℃STO基板上所成長La1-xCaxMnO3 薄膜cross-section 的影像6
圖4.在890℃STO上所成長的La1-xCaxMnO3薄膜plane-view影像7
圖5.(La1-xCax)MnO3之磁相結構圖9
圖6.La0.67Ca0.33MnO3靶材鈣鈦礦結構10
圖7.(La1-xCax)MnO3系列靶材之晶格常數圖11
圖8.為穿遂式磁電阻薄膜的構造21
圖9.X光繞射儀之結構圖25
圖10.電子束和試片作用後,所放的電子和電磁波示意圖26
圖11.穿透式電子顯微鏡構造示意圖28
圖12.電子顯微鏡中試片、繞射平面及成像平面相對位置及電子束路徑圖29
圖13.四點量測試片示意圖30
圖14.La0.67Ca0.33MnO3靶材從20。-80。的X光繞射圖形33
圖15.在鈦酸鍶上,成長La0.67Ca0.33MnO3薄膜時間為三分鐘、六分鐘、十二分鐘,在20。-70。的X光繞射圖形34
圖16.在鈦酸鍶上,成長La0.67Ca0.33MnO3薄膜時間為三分鐘、六分鐘、十二分鐘,在22。-25。的X光繞射圖形35
圖17.在鈦酸鍶上,成長La0.67Ca0.33MnO3薄膜時間為三分鐘、六分鐘、十二分鐘,在47。-50。的X光繞射圖形36
圖18.在鈦酸鍶上,成長La0.67Ca0.33MnO3薄膜時間為三分鐘、六分鐘、十二分鐘,在23。-90。的X光繞射圖形37
圖19.在鈦酸鍶上,成長La0.67Ca0.33MnO3薄膜時間為三分鐘、六分鐘、十二分鐘,在23。-45。的X光繞射圖38
圖20.在鈦酸鍶上,成長La0.67Ca0.33MnO3薄膜時間為三分鐘、六分鐘、十二分鐘,在45。-75。的X光繞射39
圖21.在鈦酸鍶上,成長La0.67Ca0.33MnO3薄膜時間為三分鐘、六分鐘、十二分鐘,在72。-90。的X光繞射圖形40
圖22.(a)在鈦酸鍶上,成長La0.67Ca0.33MnO3的時間為三分鐘的薄膜表面形貌圖42
圖22.(b)在鈦酸鍶上,成長La0.67Ca0.33MnO3的時間為六分鐘的薄膜表面形貌圖43
圖22.(c)在鈦酸鍶上,成長La0.67Ca0.33MnO3的時間為十二分鐘的薄膜表面形貌圖44
圖23.基板鈦酸鍶的繞射點47
圖24.在基板鈦酸鍶上,成長六分鐘的La0.67Ca0.33MnO3薄膜
和基板的縱剖面明視野影像,影像放大五萬倍48
圖25.在基板鈦酸鍶上,成長六分鐘的La0.67Ca0.33MnO3薄膜
的繞射環48
圖26.在基板鈦酸鍶上,成長12分鐘La0.67Ca0.33MnO3薄膜
和基板的縱剖面明視野影像,影像放大五萬倍49
圖27.在基板鈦酸鍶上,成長12分鐘La0.67Ca0.33MnO3薄膜
和基板的縱剖面暗視野影像,影像放大五萬倍50
圖28.在基板鈦酸鍶上,成長12分鐘La0.67Ca0.33MnO3薄膜的繞射環50
圖29.在基板鈦酸鍶上,成長6分鐘La0.67Ca0.33MnO3薄膜的plane-view明視野影像,影像放大二十萬倍51
圖30.在基板鈦酸鍶上,成長6分鐘La0.67Ca0.33MnO3薄膜的plane-view明視野影像,影像放大二十萬倍51
圖31.在基板鈦酸鍶上,成長6分鐘La0.67Ca0.33MnO3薄膜的plane-view明視野影像,影像放大二十萬倍52
圖32.在基板鈦酸鍶上,成長6分鐘La0.67Ca0.33MnO3薄膜的plane-view的繞射環52
圖33.在基板鈦酸鍶上,成長12分鐘La0.67Ca0.33MnO3薄膜的plane-view明視野影像,影像放大二十萬倍53
圖34.在基板鈦酸鍶上,成長12分鐘La0.67Ca0.33MnO3薄膜的plane-view暗視野影像,影像放大二十萬倍53
圖35.在基板鈦酸鍶上,成長12分鐘La0.67Ca0.33MnO3薄膜的plane-view明視野影像,影像放大二十萬倍54
圖36.在基板鈦酸鍶上,成長12分鐘La0.67Ca0.33MnO3薄膜的plane-view暗視野影像,影像放大二十萬倍54
圖37.在基板鈦酸鍶上,成長12分鐘La0.67Ca0.33MnO3薄膜的plane-view暗視野影像,影像放大二十萬倍55
圖38.在基板鈦酸鍶上,成長12分鐘La0.67Ca0.33MnO3薄膜的plane-view的繞射環,發現MnO2的存在55
圖39.在鈦酸鍶上,成長三分鐘的La0.67Ca0.33MnO3薄膜,溫度由300k降到70k所量測的溫度和電阻關係圖59
圖40.在鈦酸鍶上,成長6分鐘的La0.67Ca0.33MnO3薄膜,溫度由300K降到70K所量測的溫度和電阻關係圖60
圖41.在鈦酸鍶上,成長12分鐘的La0.67Ca0.33MnO3薄膜,溫度由300k降到70k所量測的溫度和電阻關係圖61
第六章 參考文獻1. J.Z. Sun, L. Krusin-Elbaum, A. Gupta, Gang Xiao, P.R. Duncombe, and S.S.P. Parkin, IBM, 1998。2. 張慶瑞,【自旋電子傳輸與自旋電子學】,物理雙月刊,二十二卷六期,p.544, 2000年12月。3. R. von Helmolt, J. Wecker, B. Holzapfel, L. Schultz, and K. Samwer, Physical Review Letter 71, 2331, 1993。4. J. O’Donnell, J. N. Eckstein and I. Bozovic, Appl. Phys. Lett. 72, 1775, 1998。5. E. Gommert, H. Cerva, and R.v. Helmolt, J. Appl. Phys.81, 5496, 1990。6. O.I. Lebedev, G. Van Tendeloo, and B. Leibold, Phys. Rev.B 58, 8065, 1998。7. M.G. Blamire, B.-S. Teo, J.H. Durrell, N.D. Mathur, Z.H. Barber, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 191, 359-367, 1999。8. P. Schiffer, A.P. Ramirez, W. Bao,and S.W. Cheong, Phys. Rev. Lett. 75, 3336, 1995。9. Guo-Qiang Gong, Jonathan Z. Sun, Appl. Phys. Lett. 67, 1783, 1995。10. Introduction to Magnetism and Magnetic Materials by David jiles。11. 中國材料學會固態物理網路教材。http://www.mse.nsysu.edu.tw/~kyhsieh/solidnet/7-1.htm1。12. 磁性材料與應用。http://wwwedu.nknu.edu.tw/~solid/mag1.htm。13. Alan R Bishop and Heinrich Roder: Thoery of colossal magnetoresistance,。14. 盧天惠,X光繞涉及應用講義。http://www.phys.nthu.edu.tw/~thlu/x-ray/2-3.htm。15. 陳力俊,材料電子顯微鏡。
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