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研究生:郭明憲
論文名稱:鑭鍶錳氧化物薄膜之光譜研究
論文名稱(外文):Optical studies of Lasub[0.7]Srsub[0.3]MnOsub[3] films
指導教授:劉祥麟
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣師範大學
系所名稱:物理研究所
學門:自然科學學門
學類:物理學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2003
畢業學年度:91
語文別:中文
論文頁數:131
中文關鍵詞:龐磁阻紅外線光譜應變作用
外文關鍵詞:CMRopticalstrain
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鑭鍶錳氧化物(La0.7Sr0.3MnO3)薄膜受到與基板間晶格不匹配的影響,其結構、磁性及光譜響應呈現與塊材大相逕庭的行為。
首先,我們發現薄膜厚度愈薄,其c軸晶格常數愈長,這是歸因於薄膜的ab平面受到基板壓縮應變作用。其次,我們觀察到薄膜的居禮溫度隨著厚度減小而降低。
從光譜實驗數據分析而言,我們發現La0.7Sr0.3MnO3薄膜之Mn-O-Mn鍵角彎曲振動頻率為一定值,但是Mn-O鍵長伸縮振動頻率在厚度愈薄的樣品中會有紅位移現象,此結果與X-ray繞射數據分析(c軸晶格常數變長)相符。有趣地是,我們觀察到La0.7Sr0.3MnO3薄膜在中紅外光區的吸收峰之機制與小極化子的光譜響應有關,隨著薄膜厚度的減少,小極化子的束縛能量有增強的趨勢。最後,在紫外光區的Mn 3d及O 2p軌域上電荷躍遷吸收峰值也隨著薄膜厚度增加而有紅位移現象。
We report on a systematic study of strain effects on the structural, magnetic, and optical properties of high-quality La0.7Sr0.3MnO3 thin films epitaxially grown on LaAlO3 substrate by the off-axis magnetron sputtering technique.The X-ray powder diffraction data indicate that the c-axis lattice constant is enhanced with decreasing the film thickness due to the compressive strain produced by lattice mismatch.Magnetization curves show a decrease of the Curie temperature for decreasing thickness of films.Optical reflectance and transmittance measurements provide evidence that the position of Mn-O stretching mode shifts toward low frequency and the charge -transfer gap between O 2p and Mn 3d states increases with the decrease of film thickness.Most importantly, an analysis of small polaron absorption in the midinfrared region shows the polaron binding energy is increasing with decreasing the film thickness,signifying the dominant role of strain-induced electron-phonon coupling in the physical properties of these doped manganites.
目錄
中文摘要………………………………………………………………i
英文摘要………………………………………………………………ii
誌謝 ……………………………………………………………… iii
目錄 ……………………………………………………………… iv
表目錄 …………………………………………………………… vi
圖目錄 …………………………………………………………… vii
第一章 緒論 ……………………………………………………… 1
第二章 研究背景 ………………………………………………… 7
2-1 磁性理論 ………………………………………………… 7
2-2 雙交換模型 ……………………………………………… 11
2-3 楊-泰勒效應 ……………………………………………… 13
第三章 實驗儀器與全頻光譜原理 ……………………………… 22
3-1 實驗儀器 ………………………………………………… 22
3-1-1傅立葉轉換紅外線光譜儀 ………………………… 22
3-1-2光柵式分光儀 ……………………………………… 25
3-2 光譜實驗數據之理論分析 ……………………………… 27
3-2-1電磁波在介質中的傳遞 …………………………… 27
3-2-2電磁波在薄膜中的傳遞 …………………………… 29
3-2-3由反射率及穿透率決定光學參數 ………………… 33
3-2-4克拉馬-克羅尼關係式 …………………………… 36
3-2-5羅侖茲模型擬合 …………………………………… 37第四章 文獻回顧 ………………………………………………… 47
4-1 鑭系錳氧化物薄膜的物理特性 ………………………… 47
4-2 鑭系錳氧化物薄膜的光譜性質 ………………………… 50
第五章 實驗步驟 ………………………………………………… 58
5-1 樣品的製備 ……………………………………………… 58
5-2 表面結構量測 …………………………………………… 59
5-3 晶體結構量測 …………………………………………… 60
5-4 磁性量測 ………………………………………………… 62
第六章 實驗結果與討論 ………………………………………… 80
6-1 LaAlO3的光譜研究 ……………………………………… 80
6-2 SrTiO3的光譜研究 ……………………………………… 81
6-3 La0.7Sr0.3MnO3薄膜的光譜研究 …………………………… 82
6-3-1 反射與穿透光譜 ………………………………… 82
6-3-2 遠紅外光區聲子吸收光譜 ……………………… 83
6-3-3 中紅外光區極化子吸收光譜 …………………… 83
6-3-4 電子躍遷吸收光譜 ……………………………… 84
6-4 超晶格結構的光譜研究 ………………………………… 85
第七章 結論與未來展望 ………………………………………… 110
附錄 ………………………………………………………………… 111
參考文獻 …………………………………………………………… 116
表 目 錄
表3.1.1 電磁波能譜所對應的頻率、波長與能量之間的關係 …… 39
表4.1.1 從X-ray所求得的La0.7Sr0.3MnO3薄膜晶格常數……………51
表5.3.1 La0.7Sr0.3MnO3薄膜的(001)、(002)繞射峰之2θ角位置與半高寬………………………………………………………… 63
表5.3.2 LaAlO3單晶與受La0.7Sr0.3MnO3薄膜應變影響下之LaAlO3基板 (001)、(002)繞射峰之2θ角位置與半高寬 …………… 64
表6.1.1 羅侖茲模型擬合LaAlO3及SrTiO3光譜曲線而得的參數… 86
表6.1.2 羅侖茲模型擬合La0.7Sr0.3MnO3薄膜光譜曲線而得的參數…87
表6.3.1 由小極化子模型擬合La0.7Sr0.3MnO3薄膜中紅外光區光學電導率而得的參數……………………………………………… 88
圖 目 錄
圖1.1 鑭系錳氧化物之鈣鈦礦結構 ………………………………… 4
圖1.2 La1-xSrxMnO3之電阻率對溫度的關係………………………… 4
圖1.3 (La,Ca)MnO3中不同CaMnO3含量的居禮溫度 ……………… 5
圖1.4 90 K時(La,Ca)MnO3中不同CaMnO3含量的飽和磁化率……… 5
圖1.5 LaCaMnO薄膜之磁阻變化率、電阻率、磁化率對溫度的關係 ………………………………………………………………… 6
圖1.6 LaCaMnO薄膜磁阻變化率對溫度的關係…………………… 6
圖2.1.1 反磁性之示意圖…………………………………………… 14
圖2.1.2 順磁性之磁化率、磁化係數倒數與溫度關係示意圖…… 14
圖2.1.3 反鐵磁性之磁化係數與溫度關係之示意圖……………… 15
圖2.1.4 鐵磁性物質的磁區結構示意圖…………………………… 15
圖2.1.5 磁滯曲線示意圖…………………………………………… 16
圖2.1.6 鐵磁性之磁化率、磁化係數倒數與溫度關係之示意圖… 16
圖2.2.1 La1-xSrXMnO3的物性相圖…………………………………… 17
圖2.2.2 Mn3+3d軌域能階分裂示意圖 …………………………… 18
圖2.2.3 雙重交換模型示意圖……………………………………… 19
圖2.3.1 楊-泰勒模型不同的扭曲方式 …………………………… 20
圖2.3.2 楊-泰勒效應能階分裂示意圖 …………………………… 21
圖3.1.1 FTIR光路構造圖 ………………………………………… 40
圖3.1.2 Si Bolometer偵測器裝置圖……………………………… 41
圖3.1.3 Michelson 干涉儀示意圖 ……………………………… 42
圖3.1.4 單色入射光,干涉儀偵測器所測量光強度之干涉圖形… 42
圖3.1.5 光柵式分光儀光路圖 …………………………………… 43
圖3.2.1 光在不同介質中的傳遞…………………………………… 44
圖3.2.2 電磁波在單層薄膜中傳遞的情形………………………… 44
圖3.2.3 多層膜系統示意圖………………………………………… 45
圖3.2.4 羅侖茲模型的示意圖 …………………………………… 45
圖3.4.5 參數擬合流程圖…………………………………………… 46
圖4.1.1 經過(無)退火處理的100 Å La0.7Sr0.3MnO3薄膜樣品之X-ray繞射 ……………………………………………………… 52
圖4.1.2 La0.7Sr0.3MnO3和LaAlO3基板之間應變作用的示意圖 …… 53
圖4.1.3 厚度110 nm的La0.7Sr0.3MnO3薄膜成長在不同基板上,其X-
ray之繞射圖形…………………………………………… 54
圖4.1.4 不同厚度及x的La1-xSrxMnO3/SrTiO3薄膜,磁化強度和溫度的關係……………………………………………………… 55
圖4.1.5不同厚度的La2/3Sr1/3MnO3(100)/ SrTiO3(100)薄膜磁化強度和溫度的關係……………………………………………… 55
圖4.1.6 La0.7Sr0.3MnO3/SrTiO3多層膜磁化率跟溫度的關係 ……… 56
圖4.1.7 垂直La0.7Sr0.3MnO3/SrTiO3超晶格表面的晶格常數和dLSMO/dSTO比例之間的關係…………………………………………… 56
圖4.2.1 LaAlO3、SrTiO3、YAlO3、及La0.7Ca0.3MnO3在不同基板上的反射光譜 …………………………………………………… 57
圖4.2.2 La0.7Ca0.3MnO3在不同基板上之光學電導率 ……………… 57
圖5.1.1 射頻磁電管濺鍍系統裝置圖……………………………… 65
圖5.1.2 實驗樣品示意圖…………………………………………… 66
圖5.2.1 La0.7Sr0.3MnO3(100 Å)/LaAlO3之SEM圖…………………… 67
圖5.2.2 La0.7Sr0.3MnO3(500 Å)/LaAlO3之SEM圖…………………… 67
圖5.2.3 La0.7Sr0.3MnO3(1000 Å)/LaAlO3之SEM圖 ………………… 68
圖5.2.4 La0.7Sr0.3MnO3(3000 Å)/LaAlO3之SEM圖 ………………… 68
圖5.2.5 La0.7Sr0.3MnO3(4000 Å)/LaAlO3之SEM圖 ………………… 69
圖5.3.1 La1-xSrXMnO3(x = 0.17)正交晶系和菱型晶系結構圖 …… 70
圖5.3.2 La1-xSrXMnO3的結構相圖…………………………………… 71
圖5.3.3 LaAlO3基板和不同厚度之La0.7Sr0.3MnO3薄膜的X-ray繞射圖
……………………………………………………………… 72
圖5.3.4 LaAlO3基板和不同厚度之La0.7Sr0.3MnO3薄膜的X-ray繞射圖(21.50  2θ  24.50) ……………………………………… 73
圖5.3.5 La0.7Sr0.3MnO3的c軸晶格常數與薄膜厚度的關係…………74
圖5.3.6 La0.7Sr0.3MnO3的(001)繞射峰之半高寬與薄膜厚度的關係…
……………………………………………………………… 74
圖5.3.7 LaAlO3基板和不同厚度的La0.7Sr0.3MnO3薄膜之X-ray繞射圖(450  2θ  500) …………………………………………… 75
圖5.3.8 La0.7Sr0.3MnO3薄膜、SrTiO3/La0.7Sr0.3MnO3/SrTiO3三層膜與超晶格多層膜S8、S6之X-ray繞射圖 …………………… 76
圖5.4.1 4000 Å La0.7Sr0.3MnO3薄膜場冷卻與零場冷卻之磁化強度與溫度關係……………………………………………………… 77
圖5.4.2 La0.7Sr0.3MnO3薄膜的零場冷磁化強度與溫度關係 ……… 77
圖5.4.3 不同厚度之La0.7Sr0.3MnO3薄膜的磁化率倒數χ-1與溫度關係
………………………………………………………………78
圖5.4.4 超晶格樣品零場冷卻之磁化強度與溫度關係…………… 78
圖5.4.5 超晶格樣品之磁化率倒數χ-1與溫度關係圖 …………… 79
圖6.1.1 LaAlO3單晶之反射率與穿透率對光頻率的關係圖……… 89
圖6.1.2 LaAlO3之折射率對光頻率的關係圖……………………… 90
圖6.1.3 LaAlO3之消光係數對光頻率的關係圖…………………… 90
圖6.1.4 LaAlO3之介電常數對光頻率的關係圖…………………… 91
圖6.1.5 LaAlO3之光學電導率對光頻率的關係圖………………… 91
圖6.1.6 由羅侖茲模型擬合所計算出的LaAlO3光譜曲線與實驗結果比較 ……………………………………………………… 92
圖6.2.1 SrTiO3單晶之反射率與穿透率對光頻率的關係圖……… 93
圖6.2.2 SrTiO3之折射率對光頻率的關係圖……………………… 94
圖6.2.3 SrTiO3之消光係數對光頻率的關係圖…………………… 94
圖6.2.4 SrTiO3之光學電導率對光頻率的關係圖………………… 95
圖6.2.5由羅侖茲模型擬合所計算出的SrTiO3光譜曲線與實驗結果比較………………………………………………………… 95
圖6.3.1 100 Å厚度之La0.7Sr0.3MnO3薄膜的反射與穿透光譜 …… 96
圖6.3.2 500 Å厚度之La0.7Sr0.3MnO3薄膜的反射與穿透光譜 …… 96
圖6.3.3 1000 Å厚度之La0.7Sr0.3MnO3薄膜的反射與穿透光譜…… 97
圖6.3.4 3000 Å與4000 Å厚度之La0.7Sr0.3MnO3薄膜的反射光譜…97
圖6.3.5 羅侖茲模型擬合所計算出100 Å厚度之La0.7Sr0.3MnO3薄膜的光譜曲線與實驗結果比較………………………………… 98
圖6.3.6 羅侖茲模型擬合所計算出500 Å厚度之La0.7Sr0.3MnO3薄膜的光譜曲線與實驗結果比較………………………………… 98
圖6.3.7 羅侖茲模型擬合所計算出1000 Å厚度之La0.7Sr0.3MnO3薄膜的光譜曲線與實驗結果比較……………………………… 99
圖6.3.8 羅侖茲模型擬合所計算出3000 Å厚度之La0.7Sr0.3MnO3薄膜的光譜曲線與實驗結果比較……………………………… 99
圖6.3.9 羅侖茲模型擬合所計算出4000 Å厚度之La0.7Sr0.3MnO3薄膜的光譜曲線與實驗結果比較 …………………………… 100
圖6.3.10 La0.7Sr0.3MnO3薄膜的光學電導率與光頻率的關係………101
圖6.3.11 La0.7Sr0.3MnO3薄膜的遠紅外光區聲子吸收光譜…………102
圖 6.3.12 La0.7Sr0.3MnO3的聲子吸收峰值對薄膜厚度的關係…… 103
圖6.3.13 小極化子模型擬合所計算出4000 Å厚度之La0.7Sr0.3MnO3薄膜的光學電導率曲線與實驗結果比較 …………… 104
圖6.3.14 小極化子模型擬合所計算出3000 Å厚度之La0.7Sr0.3MnO3薄膜的光學電導率曲線與實驗結果比較………………104
圖6.3.15 小極化子模型擬合所計算出1000 Å厚度之La0.7Sr0.3MnO3薄膜的光學電導率曲線與實驗結果比較 …………… 105
圖6.3.16 小極化子模型擬合所計算出500 Å厚度之La0.7Sr0.3MnO3薄膜的光學電導率曲線與實驗結果比較…………………105
圖6.3.17 La0.7Sr0.3MnO3的小極化子束縛能量對薄膜厚度的關係…106
圖6.3.18 La0.7Sr0.3MnO3的電子躍遷吸收峰對薄膜厚度的關係……106
圖6.3.19 La0.7Sr0.3MnO3樣品的有效載子濃度與頻率的關係………107
圖6.3.20 截止頻率(ωc = 2 eV)時,單位錳原子的有效電荷載子濃度與膜厚的關係.……………………………………………107
圖6.4.1 超晶格樣品反射率與光頻率的關係 …………………… 108
圖6.4.2 超晶格樣品之光學電導率與光頻率的關係 …………… 108
圖6.4.3 超晶格樣品的遠紅外光區聲子吸收光譜 ……………… 109
圖附錄1 由Fresnel方程式模擬LaAlO3之反射與穿透光譜曲線與實驗結果比較……………………………………………… 113
圖附錄2 由Fresnel方程式模擬SrTiO3之反射與穿透光譜曲線與實驗結果比較 …………………………………………… 113
圖附錄3 由Fresnel方程式模擬SrTiO3(100 nm)成長在LaAlO3(0.05 cm)上之穿透光譜隨著入射角度的變化…………………114
圖附錄4 由Fresnel方程式模擬不同厚度的SrTiO3成長在LaAlO3 (0.05 cm)上之穿透光譜…………………………………114
圖附錄5 由Fresnel方程式模擬La0.7Sr0.3MnO3(1 μm)成長在LaAlO3 (0.05 cm)上之不同入射角度的反射光譜………………115
圖附錄6 由Fresnel方程式模擬不同厚度之La0.7Sr0.3MnO3成長在LaAlO3 (0.05 cm)上之反射光譜…………………………115
參考文獻
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