稀土铁氧体薄膜的制备与磁性研究开题报告

 2020-02-20 10:02

1. 研究目的与意义(文献综述)


对稀土正铁氧体的研究开始于上世纪四十年代,之后很多研究组主要围绕其晶体结构及磁学性能开展了大量研究[1-5],并得到了大致清晰的物理图像。稀土正铁氧体的化学式为RFeO3,其中R代表稀土离子,其晶体结构为正交钙钛矿结构,空间群是PbnmRFeO3的一个典型特征是它存在两个磁性次晶格,包括稀土离子的磁性次晶格和铁离子的磁性次晶格。这两个磁性次晶格之间相互作用,导致了例如自旋重取向等一些复杂的磁性质,且这些性质随着场、温度或者应力的变化而变化[5-8]

铁离子的磁性次晶格的奈尔温度比稀土离子的高很多。在高温但低于铁离子的奈尔温度时,所有稀土正铁氧体的磁结构对应于不可约表示,它表示沿c轴方向是铁磁的。随着温度降低,稀土离子的极化增加,同时有效各向异性增加。当温度降低到一定程度,稀土正铁氧体可能会经历自旋重取向而相变为另一种磁结构,通常为,这种相变发生在R=Tb, Er, Tm, Nd, Ho的稀土铁氧体中;也有可能弱铁磁性随着温度降低逐渐消失,而相变为,这种相变发生在DyFeOshy;3[1]

近年来,由于稀土正铁氧体独特的物理性质与一些潜在的应用,它们再次成为研究的热点。研究人员在RFeO3中发现了多铁性,如LaFeO3[9],SmFeO3[10]和DyFeO3[11]等,这一类化合物有可能成为室温多铁性材料新体系。同时,稀土铁氧体材料具有优异的磁电特性[12-14]和磁光特性[13,15,16],在超快自旋开关、快速磁光开关、磁光传感器等器件开发上,显示出巨大的应用潜力,受到国内外物理学家和材料学家的广泛关注。

稀土正铁氧体的广泛应用需要我们对它的性质进行更加深入的研究,而在一种材料诸多性质的研究中,磁性占有着非常重要的地位。磁性反映了整体的电子结构,材料的热学、光学、力学和电学性质都与磁性紧密关联,因此对磁性的研究可以帮助理解材料的其他宏观物性。另一方面,磁性反映了各种能量的竞争关系,人们可以通过应力、温度、外场、压强等手段使材料的磁性发生变化。

在稀土正铁氧体的磁性研究中,外加磁场如何调控磁性一直备受关注。1977年,G W Durbin等人研究了外加磁场对GdFeO3自旋重取向相变温度的影响[17];1979年,K. Toyokawa等人研究了外加磁场对ErCrO3自旋重取向的影响[18];2010年,J. Scola等人研究了外加磁场对YFeO3薄膜磁性的影响[19];2014年,Hailong Wu等人研究了Dy0.5Pr0.5FeO3单晶在磁场诱导下的磁相变情况[20]。他们的研究结果表明外加磁场可以改变自旋重取向的相变温度和相变过程,调控材料的磁相变。

压强对稀土正铁氧体性质的影响也得到了一定的研究。2000年,A.G. Gavriliuk等人研究了高压条件下NdFeO3和LuFeO3的晶体结构、电子结构和磁性[21]。2001年,W. M. Xu等人研究了稀土铁氧体RFeO3在高压条件下Mott-Hubbard状态的连续崩塌,并讨论了对磁性的影响[22]。2010年的一项研究认为化学压(稀土离子的不同半径)对RFeO3材料性质的影响与静水压作用到这些化合物的效果相似[23]。但在2013年,Hong Jian Zhao等人利用从头计算的方法研究了化学压对稀土铁氧体的结构与磁性的影响,并研究了静水压对SmFeO3的物理性质的影响,对比发现静水压与化学压对稀土铁氧体结构与磁性的影响在定量上甚至定性上都不相同[24]

应力与压强对材料性质的影响有着相似之处,它们都通过改变材料的晶体结构从而对磁性、电子结构等产生影响。到目前为止,关于应力对磁性薄膜的调控研究工作已经有很多,主要集中在对磁各向异性、磁矩、相变温度等的调控[25-29]。2013年,张晓山等人在研究生长在柔性衬底上的FaGa/IrMn双层膜时发现,外加应力应变可以使体系的矫顽场随应变的增加而变大[27]。同年,S. Maat 等人发现,通过施加外加的应力应变,可以改变FeRh 薄膜的铁磁稳定态温度,从而实现室温下铁磁的稳定态[28]。2017年,谢亚丽在研究晶格外延应变对FeRh单晶样品的磁性能的调控中发现,张应变可以降低FeRh 薄膜的磁相变温度,同时,压应变会使薄膜的磁相变温度升高[29]

除了应力对薄膜性质的影响,还有例如电荷转移、轨道重构等因素也会改变薄膜的物理性质。2002年A. Ohtomo等人合成了具有原子级清晰界面的SrTiO3/LaTiO3超晶格,它们发现虽然SrTiO3和 LaTiO3都是绝缘体,但其超晶格的界面处可能会出现由电荷转移引起的金属相[30]。2007年,J.Chakhalian等人通过实验验证在YBCO和LCMO的界面处发生了电荷转移,同时Cu和Mn的轨道通过氧的2p轨道相互作用发生轨道重构,从而导致在YBCO一侧Cu被诱导出铁磁序[31]。在各种因素的影响下,薄膜的物理性质与块材的可能会存在差异。

目前关于稀土正铁氧体薄膜的磁性研究还很少,但可以推断,稀土正铁氧体薄膜的磁性相对于块材的有着很多不同之处,磁相变也可能发生变化。对RFeO3薄膜进行研究,特别是应力导致晶格变形对薄膜的影响,有助于进一步了解稀土铁氧体的物理图像,这便是本毕业论文研究的出发点。



2. 研究的基本内容与方案


基本内容:在单晶衬底上制备纳米级厚度的单晶稀土正铁氧体(ErFeO3),选择不同衬底从而引入压应力和拉应力,控制薄膜厚度,实现不同程度的晶体结构畸变。测量薄膜样品的磁性,比较与块材的差异,得出包括应力等因素对ErFeO3薄膜磁性的调控情况。

目标:制作出一系列处在不同应力条件下的ErFeO3薄膜样品,分析稀土正铁氧体薄膜的物理性质以及与块材的差异,包括应力对稀土性铁氧体磁性的影响。

拟采用的技术方案及措施:

1. 利用高分子辅助沉积法[32,33](PAD)来制作单晶薄膜样品。先配置一定比例的EDTA、PEI、R(NO3)3和Fe(NO3)3的混合溶液,搅拌均匀后将混合溶液转移到60℃的水浴中搅拌浓缩,之后将浓缩液通过自旋涂的方式均匀旋涂在衬底上,通过调节旋涂液的浓度与旋涂转速控制薄膜样品的厚度,最后将薄膜样品按照需求进行相应的热处理,获得固态的薄膜。

2. 利用金相显微镜观察薄膜样品表面是否有裂纹;

3. 利用扫描电子显微镜(SEM)观察薄膜样品的表面情况并筛选出表面平整的样品;

4. 利用X射线光电子能谱(XPS)测量样品中的元素组成、化学状态以及薄膜厚度;

5. 利用X射线衍射法(XRD)测量得到单晶样品薄膜的应变以及晶格常数,分析薄膜应变后的结构;

6. 利用超导量子干涉仪磁强计[34]测量各个样品的磁矩与温度的函数关系,并通过测量各个样品不同温度下的磁化回线分析计算相变温度,将两种方法综合比较[8],研究它们的磁相变情况,分析薄膜样品的磁性。

3. 研究计划与安排


第1-3周:查阅相关文献资料,明确研究内容,了解研究所需的基本概念和基础知识。确定方案,完成开题报告。

第4-6周:根据已有研究成果,确定进行本课题研究的基本路线和具体方案,并着手制备薄膜。

第7-10周:对制备的薄膜进行XRD,SEM,XPS及磁性测试。

第11-12周:基本完成数据处理和总结。

第13-15周:完成并修改毕业论文。

第16周:准备论文答辩。


4. 参考文献(12篇以上)


[1] White R L. Rare Earth Compounds[J]. J. Appl. Phys.,1969,40(3):1061-1069.

[2] D.Treves. Studies on Orthoferrites at the Weizmann Institute of Science[J]. J.Appl. Phys.,1965, 36(3):1033-1039.

[3] D. Treves.Magnetic Studies of Some Orthoferrites[J]. Phys. Rev., 1962, 125(6): 1843-1853.

[4] M. KamalWarshi, Vikash Mishra, Archna Sagdeo, Vinayak Mishra, Rajesh Kumara, and P. R.Sagdeo. Structural, optical and electronic properties of RFeO3[J]. CeramicsInternational, 2018, 44(7):8344-8349.

[5] Bazaliy.Y. B. et al. Spin-reorientationin ErFeO3: Zero-field transitions, three-dimensionalphase diagram, and anisotropy of erbium magnetism[J]. Phys. Rev. B,2004, 69(10):104429.

[6] L. M.Levinson, M. Luban, and S. Shtrikman. Microscopic Model for Reorientation ofthe Easy Axis of Magnetization[J]. Phys. Rev., 1969, 187(2):715-722.

[7] L. T.Tsymbal, Ya. B. Bazaliy, V. N. Derkachenko, V. I. Kamenev, G. N. Kakazei, F.J. Palomares, and P. E. Wigen. Magneticand structural properties of spin-reorientation transitions inorthoferrites[J]. J. Appl. Phys.,2007, 101(12):123919.

[8] Ya. B.Bazaliy, L. T. Tsymbal, G. N. Kakazei, and P. E. Wigen. The role of erbiummagnetization anisotropy during the magnetic reorientation transition in ErFeO3[J]. J. Appl. Phys., 2004, 95(11):6622-6624.

[9] AcharyaS, Mondal J, Ghosh S, Roy S K, and Chakrabarti P K. Multiferroic behavior of lanthanum orthoferrite (LaFeO3)[J]. Mater. Lett., 2010, 64(3): 415-418.

[10] Lee J H, Jeong Y K, Park J H, Oak M A, Jang H M, Son J Y, and ScottJ F. Spin-Canting-Induced ImproperFerroelectricity and Spontaneous Magnetization Reversal in SmFeO3[J]. Phys. Rev. Lett.,2011,107(11):117201.

[11] Tokunaga Y, Iguchi S, Arima T, and Tokura Y. Magnetic-Field-InducedFerroelectric State in DyFeO3[J]. Phys. Rev. Lett., 2008, 101(9): 097205.

[12] Hui Shen, ZhenxiangCheng, Fang Hong, Jiayue Xu, Shujuan Yuan, Shixun Cao, and Xiaolin Wang. Magnetic field induced discontinuous spinreorientation in ErFeO3 single crystal[J]. Appl. Phys. Lett., 2013, 103(19):192404.

[13] Kimel A V, Ivanov B A, Pisarev R V, et al. Inertia-driven spin switching in antiferromagnets[J]. Nat Phys,2009, 5(10): 727-731.

[14] I. Fita, A. Wisniewski, R.Puzniak, E. E. Zubov, V. Markovich, and G.Gorodetsky. Common exchange-biasedspin switching mechanism in orthoferrites[J]. Phys. Rev. B, 2018, 98(9) :094421.

[15] Kimel A V, Kirilyuk A, TsvetkovA, et al. Laser-induced ultrafast spinreorientation in the antiferromagnet TmFeO3[J]. Nature, 2004,429(6994): 850-853.

[16] Kimel A V, Kirilyuk A, Usachev P A, et al. Ultrafastnon-thermal control of magnetization by instantaneous photomagneticpulses[J]. Nature, 2005, 435(7042): 655-657.

[17] G W Durbin, C EJohnson, and M F Thomas. Temperature dependence of field-inducedspin reorientation in GdFeO3[J]. J.Phys. C: Solid State Phys.,1977, 10(11):1975-1978.

[18] K. Toyokawa, S. Kurita, and K.Tsushima. Spectroscopic study of the field-induced spin reorientation in ErCrO3[J]. Phys. Rev. B, 1979, 19(1):274-283.

[19] J. Scola, W. Noun, E. Popova,A. Fouchet, Y. Dumont, N. Keller, P. Lejay, I. Sheikin, A. Demuer, and A.Pautrat.Spin reorientation induced by a very high magnetic field indomain-structured YFeO3 films:Emergence of perpendicularanisotropy[J]. Phys.

Rev. B, 2010, 81(17):174409.

[20] Hailong Wu, Shixun Cao,Ming Liu, Yiming Cao, Baojuan Kang, Jincang Zhang, and Wei Ren. Twofold spinreorientation and field-induced incomplete phase transition insingle-crystal Dy0.5Pr0.5FeO3[J]. Phys. Rev. B, 2014, 90(14):144415.

[21] A. G. Gavriliuk, G. N.Stepanov, I. S. Lyubutin, A. S. Stepinb, I. A. Trojan, and V. A. Sidorov. High pressure studies ofmagnetic, electronic, and local structure properties in the rare-earthorthoferrites RFeO3(R=Nd,Lu)[J]. Hyperfine Interactions,2000, 126(1-4):305-311.

[22] W. M. Xu, O. Naaman, G. Kh.Rozenberg, M. P. Pasternak, and R. D. Taylor. Pressure-induced breakdown of a correlatedsystem: The progressive collapse of the Mott-Hubbard state in RFeO3[J]. Phys. Rev. B, 2001, 64(9):094411.

[23] DaisukeKan, et al. Universal Behavior and Electric-Field-Induced Structural Transition in Rare-Earth-Substituted BiFeO3[J]. Adv. Funct. Mater.,2010, 20(7):1108–1115.

[24] Hong Jian Zhao, Wei Ren, Yurong Yang, XiangMing Chen, and L Bellaiche. Effect of chemical and hydrostatic pressureson structural and magnetic properties of rare-earth orthoferrites:afirst-principles study[J]. Journal of Physics: Condensed Matter, 2013, 25(46):466002.

[25] Guohong Dai, Qingfeng Zhan, Yiwei Liu, Huali Yang, XiaoshanZhang, Bin Chen and Run-Wei Li. Mechanically tunable magnetic properties ofFe81Ga19 films grown on flexible substrates[J]. Appl. Phys. Lett., 2012, 100(12): 122407.

[26]Z. H. Tang, B. M. Wang, H. L. Yang, X. Y. Xu, Y. W. Liu, D. D. Sun, L. X.Xia, Q. F. Zhan, B. Chen, M. H. Tang,Y. C. Zhou, J. L. Wang, and R.-W. Li. Magneto-mechanical coupling effect inamorphous Co40Fe40B20 films grown onflexible substrates[J]. Appl. Phys. Lett., 2014, 105(10):103504.

[27] Xiaoshan Zhang, Qingfeng Zhan, Guohong Dai, Yiwei Liu,Zhenghu Zuo, Huali Yang, Bin Chen, and Run-Wei Li. Effect of mechanical strain on magneticproperties of flexible exchange biased FeGa/IrMn heterostructures[J]. Appl. Phys. Lett., 2013, 102(2):022412.

[28] S.Maat, J.U.Thiele, andEric E. Fullerton. Temperature and field hysteresis of the antiferromagnetic-to-ferromagneticphase transition in epitaxial FeRh films[J]. Phys. Rev. B, 2005, 72(21):214432.

[29] 谢亚丽. 应力/应变对FeRh合金薄膜磁性和输运性质的调控研究[D]. 宁波:中国科学院宁波材料技术与工程研究所,2017.

[30] Ohtomo A, Muller D A, GrazulJ L, et al. Artificial charge-modulation in atomic-scale perovskite titanatesuperlattices[J]. Nature, 2002, 419(6905):378-380.

[31]Chakhalian J, Freeland J W,Habermeier H U, et al. Orbital reconstruction and covalent bonding at anoxide interface[J]. SCIENCE, 2007, 318(5853):1114-1117.

[32] Anthony K, Burrell T, MarkMcCleskey and Q. X. Jia. Polymer assisted deposition[J]. Chem. Commun.,2008(11):1271-1277.

[33] Q. X. Jia, T. M.McCleskey, A. K. Burrell, Y. Lin, G.E.Collis, H.Wang, A.D. Q. LI, S. R.Foltyn. Polymer-assisted deposition of metal-oxide films[J]. naturematerials, 2004, 3(8):529-532.

[34] 赵红昆,杨恩翠,刘忠义,刘正宇,李言. 超导量子干涉仪磁强计在本科实验教学中的应用[J]. 实验室科学,2017,20(3):196-202.


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