调控并增强lsmo薄膜磁各向异性的方法、磁各向异性可调的lsmo薄膜及其制备方法
阅读说明：本技术 调控并增强lsmo薄膜磁各向异性的方法、磁各向异性可调的lsmo薄膜及其制备方法 (Method for regulating and enhancing magnetic anisotropy of LSMO thin film, LSMO thin film with adjustable magnetic anisotropy and preparation method thereof ) 是由 刘敬武 芦增星 汪志明 于 2020-04-13 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种调控并增强LSMO薄膜磁各向异性的方法,磁各向异性可调的LSMO薄膜及其制备方法。该方法通过结构设计,利用自旋轨道耦合作用和氧八面体的旋转相结合,实现了LSMO薄膜磁各向异性的调控,并且与纯LSMO薄膜相比,该结构LSMO薄膜的磁各向异性能显著增强。此方法丰富了调控磁各向异性的材料选择和技术路径,有利于开发基于磁性氧化物新型自旋电子器件。(The invention provides a method for regulating and enhancing the magnetic anisotropy of an LSMO thin film, the LSMO thin film with adjustable magnetic anisotropy and a preparation method thereof. The method realizes the regulation and control of the magnetic anisotropy of the LSMO thin film by the structural design and the combination of the spin orbit coupling effect and the rotation of the oxygen octahedron, and compared with a pure LSMO thin film, the magnetic anisotropy of the LSMO thin film with the structure can be obviously enhanced. The method enriches the material selection and the technical path for regulating and controlling the magnetic anisotropy, and is favorable for developing a novel spintronic device based on the magnetic oxide.)
技术领域
本发明属于磁性材料技术领域，具体涉及调控并增强La2/3Sr1/3MnO3
(LSMO)薄膜磁各向异性的方法、磁各向异性可调的LSMO薄膜及其制备方法。
背景技术
磁性材料被广泛应用于现代电子工业。磁各向异性作为磁性材料的重要参量之一，在宏观上表现为磁化轴的择优取向，在不同方向上有“难”、“易”之分，在现代磁学应用研究领域占有相当的比例，尤其是在信息存储和记录方面。因此，在磁性材料中调控磁各向异性性质以及提高磁各向异性能，不论是在基础研究还是工业应用方面都显得极为重要。
过渡金属钙钛矿氧化物具有丰富的磁性，是研究磁各向异性的理想材料。
在薄膜和异质结构中，通过改变过渡金属阳离子和氧离子之间的化学键(M- O-M)(包括键长和键角)可以调控配位场环境，进而调控磁各向异性。例如，在 2000年Tsui F.等利用衬底应力调控La0.67Sr0.33MnO3薄膜的Mn-O键长，调节 MnO6氧八面体的变形(oxygenoctahedral deformation,OOD)实现了易磁轴在面内和面外之间的切换。2016年Liao Z.等人通过在La0.67Sr0.33MnO3薄膜和衬底间插入缓冲层调节Mn-O-Mn键角，调节MnO6氧八面体的旋转(oxygen octahedral rotation,OOR)实现了易磁轴在面内的转变。
自旋轨道耦合(spin-orbit coupling,SOC)作用是影响磁各向异性的另外一个关键因素，可利用具有强SOC作用的材料增强过渡金属钙钛矿氧化物的磁各向异性。
发明内容
针对上述技术现状，本发明人在研究LSMO薄膜的磁各向异性时，发现在 LSMO薄膜中将自旋轨道耦合(SOC)作用以及氧八面体的旋转(OOR)相结合，能够调控LSMO薄膜的磁各向异性，并且提高LSMO薄膜的磁各向异性能。
本发明提供的技术方案为：
一种调控并增强LSMO薄膜磁各向异性的方法，其特征是：在LSMO薄膜层之间插入材料A，形成LSMO-A界面，所述材料A具有磁各向异性与强SOC 作用，并且材料A的易磁轴方向与LSMO的易磁轴方向不同；并且，将材料B 插入材料A层内部，形成A-B界面，通过选择材料B调控材料A磁各向异性是否变化，从而调控LSMO薄膜磁各向异性，具体如下：
当材料B使材料A中OOR发生变化，从而实现材料A易磁轴方向变化为与LSMO的易磁轴方向相同，则在LSMO-A界面，LSMO的易磁轴方向保持，未发生变化；
当材料B未使材料A中OOR发生变化，因此材料A易磁轴方向未发生变化，则在LSMO-A界面，材料A的强自旋轨道耦合作用和磁各向异性使LSMO 易磁轴方向发生变化。
所述材料A不限，包括SrIrO3(SIO)、Ca0.5Sr0.5IrO3(CSIO)等。
所述材料B不限，包括SrTiO3(STO)、CaTiO3(CTO)等。
LSMO易磁轴方向为[110]方向。
当材料A选择SIO，材料B选择STO时，形成LSMO/SIO/STO/SIO/LSMO 结构。该LSMO/SIO/STO/SIO/LSMO结构中，易磁轴方向为[110]方向。在SIO- STO界面，由于超薄SIO的IrO6八面体具有旋转，无TiO6八面体旋转的STO 改变了超晶格中SIO的IrO6八面体旋转，导致SIO表现出磁各向同性，因此在 LSMO-SIO界面，SIO未能导致LSMO易磁轴方向发生变化，LSMO易磁轴方向保持为[110]方向。并且，与单层LSMO的磁各向异性能相比，该 LSMO/SIO/STO/SIO/LSMO结构的磁各向异性能显著增大。
当材料A选择SIO，材料B选择CTO时，形成LSMO/SIO/CTO/SIO/LSMO 结构。该LSMO/SIO/CTO/SIO/LSMO结构中，易磁轴方向为[100]方向。在SIO- STO界面，CTO的TiO6八面体与SIO的IrO6八面体旋转模式一致，没有改变超晶格中SIO的IrO6八面体旋转，未能导致SIO易磁轴方向发生变化，仍然为[100] 方向，因此在LSMO-SIO界面，SIO易磁轴方向与LSMO易磁轴方向不一致，再加上SIO的强自旋轨道耦合作用，导致LSMO易磁轴方向变为[100]方向。并且，与单层LSMO的磁各向异性能相比，该LSMO/SIO/CTO/SIO/LSMO结构的磁各向异性能显著增大。
与现有技术相比，本发明通过结构设计，利用自旋轨道耦合(SOC)作用和 OOR相结合，实现了对LSMO薄膜的易磁轴方向的调控，从而实现了调控LSMO 薄膜的磁各向异性，丰富了调控磁各向异性的材料选择和技术路径，有利于开发基于磁性氧化物新型自旋电子器件，例如磁存储器、逻辑器件等。并且，与纯 LSMO薄膜相比，该结构设计的LSMO薄膜的磁各向异性能显著增强。
本发明还提供了一种磁各向异性可调的LSMO薄膜，由至少一个周期单元层叠组成，每个周期单元呈多层结构；沿着周期单元的层叠方向，每个周期单元依次是LSMO子层、材料A层、材料B层、材料A层以及LSMO薄膜层；
材料A具有磁各向异性和强SOC作用，并且材料A的易磁轴方向与LSMO 的易磁轴方向不同；并且，材料B与材料A不发生反应。
所述材料A不限，包括SrIrO3(SIO)、Ca0.5Sr0.5IrO3(CSIO)等。
所述材料B不限，包括SrTiO3(STO)、CaTiO3(CTO)等。
作为优选，所述一个周期单元中，LSMO子层厚度为1个晶胞厚度，材料A 层厚度为1个晶胞厚度，材料B层厚度为2-3个晶胞厚度。
作为优选，所述LSMO薄膜包括10-50个周期单元。
本发明还提供一种制备上述磁各向异性可调的LSMO薄膜的制备方法，在氧气氛围中，通过脉冲激光沉积法在衬底上沉积制备薄膜，包括如下步骤：
(1)利用La2/3Sr1/3MnO陶瓷靶材，在衬底上制备LSMO子层；
(2)利用材料A靶材，在LSMO子层上制备材料A层；
(3)利用材料B靶材，在材料A层上制备材料B层；
(4)利用材料A靶材，在材料B层上制备材料A层；
(5)利用La2/3Sr1/3MnO陶瓷靶材，在材料A层上制备LSMO子层；
(6)重复步骤(1)至(5)数次。
作为优选，沉积之前，首先将衬底进行腐蚀和退火处理，在衬底表面形成台阶，有利于薄膜逐层沉积。
作为优选，沉积过程中，氧气气压为0.01-0.12mbar。
作为优选，沉积过程中，衬底温度保持在600-800℃。作为进一步优选，沉积之后，在氧气气压为1-2mbar条件下降温至室温。作为更优选，降温速率为5- 10℃/min。
附图说明
图1是本发明实施例1-3中制得的LSMO复合薄膜的X-射线衍射图谱，其中(a)图对应实施例1制得的[LSMO/2SIO/LSMO]10复合薄膜，(b)图对应实施例2 制得的[LSMO/SIO/3STO/SIO/LSMO]10复合薄膜，(c)图对应实施例3制得的 [LSMO/SIO/3CTO/SIO/LSMO]10复合薄膜。
图2是本发明实施例1-3中制得的LSMO复合薄膜中超晶格的反射高能电子衍射图案，其中(a)图对应实施例1制得的[LSMO/2SIO/LSMO]10复合薄膜，(b) 图对应实施例2制得的[LSMO/SIO/3STO/SIO/LSMO]10复合薄膜，(c)图对应实施例3制得的[LSMO/SIO/3CTO/SIO/LSMO]10复合薄膜。
图3是40u.c.纯LSMO薄膜的磁滞回线图。
图4是实施例1中[LSMO/2SIO/LSMO]10复合薄膜的磁滞回线图。
图5是实施例2中[LSMO/SIO/3STO/SIO/LSMO]10复合薄膜的磁滞回线图。
图6是实施例3中[LSMO/SIO/3CTO/SIO/LSMO]10复合薄膜的磁滞回线图。
图7是40u.c.纯LSMO薄膜以及实施例1-3中制得的LSMO复合薄膜磁各向异性能对比图。
具体实施方式
下面结合实施例与附图，对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
实施例1：
本实施例中，LSMO复合薄膜由10个周期单元层叠组成。每个周期单元呈多层结构；沿着周期单元的层叠方向，每个周期单元依次是LSMO子层、SIO 层以及LSMO子层，形成[LSMO/2SIO/LSMO]10结构。
该LSMO复合薄膜的制备方法包括以下步骤：
(1)选择STO衬底，STO衬底晶向为[001]，面积为5×5mm2，厚度为0.5mm；将[001]晶向STO衬底进行腐蚀和退火处理，具体如下：
(1-1)将[001]晶向STO衬底在98％乙醇中超声清洗15min，接着在去离子水中超声清洗15min，氮气吹干，然后在氢氟酸水溶液中腐蚀40s，之后立刻依次在三杯去离子水中清洗30s，最后氮气吹干；
(1-2)将腐蚀后的[001]晶向STO衬底放入坩埚中，在通氧气的管式炉中退火，退火温度为1000℃，保温时间为3h，退火速率为5℃/min。
(2)将步骤(1)处理后的[001]晶向STO衬底温度保持为680℃，在氧气气压为0.1mbar条件下，通过脉冲激光沉积法在该衬底上沉积制备薄膜，脉冲激光能量密度为1.3J/cm2，激光脉冲频率为2Hz，具体如下：
(2-1)利用La2/3Sr1/3MnO陶瓷靶材，通过脉冲激光沉积法在该衬底上制备1 u.c.厚的LSMO薄膜；
(2-2)利用SrIrO3陶瓷靶材，通过脉冲激光沉积法在LSMO薄膜上沉积制备2u.c.厚的SIO薄膜；
(2-3)利用La2/3Sr1/3MnO陶瓷靶材，通过脉冲激光沉积法在SIO薄膜上沉积制备1u.c.厚的LSMO薄膜；
(2-4)重复步骤(2-1)至(2-3)9次；
(2-5)在氧气气压为1mbar、退火速率为10℃/min条件下降温至室温。
实施例2：
本实施例中，LSMO复合薄膜由10个周期单元层叠组成。每个周期单元呈多层结构；沿着周期单元的层叠方向，每个周期单元依次是LSMO子层、SIO 层、STO层、SIO层以及LSMO子层，形成[LSMO/SIO/3STO/SIO/LSMO]10结构。
该LSMO复合薄膜的制备方法包括以下步骤：
(1)选择STO衬底，STO衬底晶向为[001]，面积为5×5mm2，厚度为0.5mm；将[001]晶向STO衬底进行腐蚀和退火处理，具体如下：
(1-1)将[001]晶向STO衬底在98％乙醇中超声清洗15min，接着在去离子水中超声清洗15min，氮气吹干，然后在氢氟酸水溶液中腐蚀40s，之后立刻依次在三杯去离子水中清洗30s，最后氮气吹干；
(1-2)将腐蚀后的[001]晶向STO衬底放入坩埚中，在通氧气的管式炉中退火，退火温度为1000℃，保温时间为3h，退火速率为5℃/min。
(2)将步骤(1)处理后的[001]晶向STO衬底温度保持为680℃，在氧气气压为0.1mbar条件下，通过脉冲激光沉积法在该衬底上沉积制备薄膜，脉冲激光能量密度为1.3J/cm2，激光脉冲频率为2Hz，具体如下：
(2-1)利用La2/3Sr1/3MnO陶瓷靶材，通过脉冲激光沉积法在该衬底上制备1 u.c.厚的LSMO薄膜；
(2-2)利用SrIrO3陶瓷靶材，通过脉冲激光沉积法在LSMO薄膜上沉积制备1u.c.厚的SIO薄膜；
(2-3)利用SrTiO3单晶靶材，通过脉冲激光沉积法在SIO薄膜上沉积制备3 u.c.厚的STO薄膜；
(2-4)利用SrIrO3陶瓷靶材，通过脉冲激光沉积法在STO薄膜上沉积制备1 u.c.厚的SIO薄膜；
(2-5)利用La2/3Sr1/3MnO陶瓷靶材，通过脉冲激光沉积法在SIO薄膜上沉积制备1u.c.厚的LSMO薄膜；
(2-6)重复步骤(2-1)至(2-5)9次；
(2-7)在氧气气压为1mbar、退火速率为10℃/min条件下降温至室温。
实施例3：
本实施例中，LSMO复合薄膜由10个周期单元层叠组成。每个周期单元呈多层结构；沿着周期单元的层叠方向，每个周期单元依次是LSMO子层、SIO 层、CTO层、SIO层以及LSMO子层，形成[LSMO/SIO/3CTO/SIO/LSMO]10结构。
该LSMO复合薄膜的制备方法包括以下步骤：
(1)选择STO衬底，STO衬底晶向为[001]，面积为5×5mm2，厚度为0.5mm；将[001]晶向STO衬底进行腐蚀和退火处理，具体如下：
(1-1)将[001]晶向STO衬底在98％乙醇中超声清洗15min，接着在去离子水中超声清洗15min，氮气吹干，然后在氢氟酸水溶液中腐蚀40s，之后立刻依次在三杯去离子水中清洗30s，最后氮气吹干；
(1-2)将腐蚀后的[001]晶向STO衬底放入坩埚中，在通氧气的管式炉中退火，退火温度为1000℃，保温时间为3h，退火速率为5℃/min。
(2)将步骤(1)处理后的[001]晶向STO衬底温度保持为680℃，在氧气气压为0.1mbar条件下，通过脉冲激光沉积法在该衬底上沉积制备薄膜，脉冲激光能量密度为1.3J/cm2，激光脉冲频率为2Hz，具体如下：
(2-1)利用La2/3Sr1/3MnO陶瓷靶材，通过脉冲激光沉积法在该衬底上制备1 u.c.厚的LSMO薄膜；
(2-2)利用SrIrO3陶瓷靶材，通过脉冲激光沉积法在LSMO薄膜上沉积制备1u.c.厚的SIO薄膜；
(2-3)利用CaTiO3单晶靶材，通过脉冲激光沉积法在SIO薄膜上沉积制备3 u.c.厚的CTO薄膜；
(2-4)利用SrIrO3陶瓷靶材，通过脉冲激光沉积法在CTO薄膜上沉积制备1 u.c.厚的SIO薄膜；
(2-5)利用La2/3Sr1/3MnO陶瓷靶材，通过脉冲激光沉积法在SIO薄膜上沉积制备1u.c.厚的LSMO薄膜；
(2-6)重复步骤(2-1)至(2-5)9次；
(2-7)在氧气气压为1mbar、退火速率为10℃/min条件下降温至室温。
上述实施例1-3中制得的LSMO复合薄膜的X-射线衍射图谱如图1所示，显示出明显的衍射峰，说明超晶格具有清晰的界面和良好的周期性，超晶格质量很高。
上述实施例1-3中制得的LSMO复合薄膜中超晶格的反射高能电子衍射图案(RHHED)如图2所示。从图2中的(a)中可以看出[2LSMO/2SIO]10超晶格的衍射图案中发现了细衍射条纹，这说明超晶格中氧八面体保持旋转；从图2中的 (b)中可以看出插入STO的超晶格，没有明显的衍射条纹，表明超晶格中氧八面体旋转被抑制；而图2中的(c)中插入CTO的超晶格，在衍射图案中发现了明显的衍射条纹，而且比[2LSMO/2SIO]10超晶格中的强度还要高，这代表超晶格中氧八面体保持并增强了旋转行为。
选择40u.c.厚的纯LSMO薄膜与上述实施例1-3中制得的LSMO复合薄膜进行对比。
利用超导量子干涉仪(SQUID)在10K低温下测得的超晶格磁滞回线如图3-6 所示，其中：
图3为40u.c.LSMO薄膜的磁滞回线图，其易磁化轴为[110]方向；
图4为实施例1中的[LSMO/2SIO/LSMO]10超晶格的磁滞回线图，其易磁化轴为[100]方向；
图5为实施例2中的[LSMO/SIO/3STO/SIO/LSMO]10超晶格薄膜的磁滞回线曲线图，其易磁化轴为[110]方向；
图6为实施例3中的[LSMO/SIO/3CTO/SIO/LSMO]10超晶格薄膜的磁滞回线曲线图，其易磁化轴为[100]方向。
40u.c.厚的纯LSMO薄膜与上述实施例1-3中制得的LSMO复合薄膜磁各向异性能对比如图7所示，显示与40u.c.厚的纯LSMO薄膜相比，实施例1-3中制得的LSMO复合薄膜的磁各向异性能均显著增加。40u.c.厚的纯LSMO薄膜的磁各向异性能为6.8×104erg/cm3，实施例1中的[LSMO/2SIO/LSMO]10的磁各向异性能从6.8×104erg/cm3增大到4.6×105erg/cm3，比LSMO磁各向异性能大近一个数量级；实施例2中的LSMO复合薄膜的磁各向异性能从6.8×104erg/cm3增大到 31.×105erg/cm3；实施例3中的LSMO复合薄膜的从6.8×104erg/cm3增大到 7.3×105erg/cm3。
以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：一种电感造粒制造工艺