一种具有垂直交换偏置效应的双层钙钛矿锰氧化物薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有垂直交换偏置效应的单相双层钙钛矿锰氧化物薄膜材料，其分子式为：Pr(Sr0.1Ca0.9)2Mn2O7。该薄膜具有本征的垂直交换偏置效应。其制备方法包括以下步骤：（1）采用溶胶‑凝胶法制备所需要的Pr(Sr

【技术实现步骤摘要】
一种具有垂直交换偏置效应的双层钙钛矿锰氧化物薄膜及其制备方法
本专利技术涉及一种锰氧化物薄膜材料，特别是一种具有垂直交换偏置效应的双层钙钛矿锰氧化物薄膜，属于磁电存储

技术介绍
钙钛矿锰氧化物作为一种典型的强关联电子体系，其自旋、电荷、轨道以及晶格之间强烈的耦合效应，在该体系材料中产生了庞磁电阻、磁交换偏置、电荷/轨道有序、电子相分离、多铁性等奇异的物理特性。这些现象涉及凝聚态物理学中一系列基本问题，是近年来研究的热点和难点。其中，交换偏置效应在磁存储介质、自旋阀与磁探测器、传感器等领域已经得到广泛应用，因此，交换偏置的研究也得到越来越多的重视。双层钙钛矿结构锰氧化物可看成无限层钙钛矿结构锰氧化物（ABO3型）的衍生，属于Ruddelsden-Popper系列An+1MnnO3n+1化合物中n=2的情形，其结构由两个锰氧化物的(MnO2)2层和绝缘的AO岩盐层沿c轴交替堆砌而成，相当于在两个钙钛矿层中插入了绝缘的氧化物层，在锰氧化物层与岩盐层之间，不同的磁排列形成界面之间的磁相互作用，这种相互作用势必会产生一定的磁交换偏置效应。同时，双层钙钛矿锰氧化物Pr(Sr0.1Ca0.9)2Mn2O7在低温下会产生很明显的相分离现象，然而，这种相分离并没有造成该单晶或块体材料在低温下的磁交换偏置效应。在Pt/Ti/SiO2/Si基底上制备不同厚度的Pr(Sr0.1Ca0.9)2Mn2O7薄膜，会发现随着制备工艺与薄膜厚度的变化，造成薄膜内部微观结构的变化，从而使发生薄膜中铁磁与反铁磁的成分随着薄膜厚度的变化发生明显的改变；在一定的条件下，产生明显的垂直交换偏置效应。相比于多层薄膜材料的交换偏置效应，单层Pr(Sr0.1Ca0.9)2Mn2O7薄膜的制备成本低廉，工艺简单，与磁存储器、自旋阀、磁探测器与传感器等器件之间具有更好的兼容性。因此，开发具有垂直交换偏置效应的双层钙钛矿锰氧化物薄膜材料具有重要的科学意义与广阔的应用前景。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种具有垂直交换偏置效应的双层钙钛矿锰氧化物薄膜。本专利技术的目的还在于提供一种具有垂直交换偏置效应的双层钙钛矿锰氧化物薄膜的制备方法。本专利技术给出的双层钙钛矿锰氧化物薄膜为单相的，其交换偏置效应为沿y轴方向的垂直交换偏置。本专利技术的一种具有垂直交换偏置效应的双层钙钛矿锰氧化物薄膜的分子式为：Pr(Sr0.1Ca0.9)2Mn2O7。本专利技术的具有不同厚度的Pr(Sr0.1Ca0.9)2Mn2O7薄膜，薄膜随着厚度的增加，其交换偏置效应先逐渐增大，达到一个最大值后，又随着厚度的增加而逐渐减少。本专利技术所述薄膜的较佳薄膜厚度为360-940nm。最佳的交换偏置效应，最大的薄膜厚度为720nm。本专利技术还提供了一种上述Pr(Sr0.1Ca0.9)2Mn2O7薄膜的制备方法，包括以下步骤：（1）采用溶胶-凝胶法制备所需要的Pr(Sr0.1Ca0.9)2Mn2O7靶材。（2）采用脉冲激光沉积技术在（111）晶向的Pt/Ti/SiO2/Si基片上沉积Pr(Sr0.1Ca0.9)2Mn2O7薄膜，沉积温度为750℃，沉积氧压为20Pa，激光电压为18.0KV，沉积速率为3HZ。通过改变沉积次数来制备不同厚度的薄膜。本专利技术的制备方法，步骤（1）中的靶材为Pr(Sr0.1Ca0.9)2Mn2O7单相材料。本专利技术的制备方法，步骤（1）中的溶胶-凝胶法最终烧结温度为1400℃，烧结时间为20-50小时。较佳地，沉积次数范围为10000-30000次。本专利技术取得如下有益效果：本专利技术的双层钙钛矿锰氧化物薄膜为单相薄膜材料，制备简单，成本低廉，具有本征的交换偏置效应。随着薄膜厚度的变化，薄膜材料内部相分离的铁磁相与反铁磁相的成分也发生变化，这两相之间的交换耦合作用也随之变化，从而可以调度该单相薄膜的交换偏置效应。本专利技术的薄膜，其显示交换偏置效应大小的特征值交换偏置场HEB可通过改变薄膜厚度加以调整。附图说明图1是本专利技术实施例2中，Pr(Sr0.1Ca0.9)2Mn2O7薄膜的X射线衍射图。图2是本专利技术实施例2中，Pr(Sr0.1Ca0.9)2Mn2O7薄膜表面的扫描电镜图（图2（a））与截面的扫描电镜图（图2（b））。图3是本专利技术实施例2中，Pr(Sr0.1Ca0.9)2Mn2O7薄膜在外加冷却场分别为H=-7000Oe和H=7000Oe下，温度T=5K时的磁滞回线，从图中可以观测到该薄膜样品的交换偏置场的大小。具体实施方式以下实施例用于说明本专利技术。应理解，附图及下述实施方式仅用于说明本专利技术，而非限制本专利技术。本领域的技术人员根据本专利技术的上述内容作出的一些非本质的改进和调整均属于本专利技术的保护范围。另外，下述工艺参数中的具体配比、时间、温度等也仅是示例性，本领域技术人员可以在上述限定的范围内选择合适的值。实施例1利用脉冲激光沉积技术，以（111）取向的Pt/Ti/SiO2/Si为基底，制备厚度约为360nm的Pr(Sr0.1Ca0.9)2Mn2O7薄膜；（1）采用溶胶-凝胶法，在1400℃高温下煅烧48小时，制得实验所需要的Pr(Sr0.1Ca0.9)2Mn2O7靶材。（2）将Pt/Ti/SiO2/Si基底放入脉冲激光沉积系统的制备腔室中，将脉冲激光沉积系统的制备腔室抽真空至≤5×10-4Pa，加热衬底至750℃，以Pr(Sr0.1Ca0.9)2Mn2O7块材作为靶材，激光电压为18.0KV，沉积速率为3HZ。沉积次数为10000次，沉积结束后自然冷却至室温，从而得到厚度为360nm的Pr(Sr0.1Ca0.9)2Mn2O7薄膜。采用物理性能测试系统（PPMS）对薄膜进行磁性的测量。在H=7000Oe磁场冷却条件下，温度为T=5K时，测得该薄膜样品的磁滞回线，发现样品的磁滞回线沿磁化强度垂直向上发生偏移，具有交换偏置效应，交换偏置场为HEB为1.01×10-4emu/cm2。其中HEB=|M1+M2|/2，M1为磁滞回线与纵坐标上面的交点，M2为磁滞回线与纵坐标下面的交点。实施例2利用脉冲激光沉积技术，以（111）取向的Pt/Ti/SiO2/Si为基底，制备厚度约为720nm的Pr(Sr0.1Ca0.9)2Mn2O7薄膜；（1）采用溶胶-凝胶法，在1400℃高温下煅烧48小时，制得实验所需要的Pr(Sr0.1Ca0.9)2Mn2O7靶材。（2）将Pt/Ti/SiO2/Si基底放入脉冲激光沉积系统的制备腔室中，将脉冲激光沉积系统的制备腔室抽真空至≤5×10-4Pa，加热衬底至750℃，以Pr(Sr0.1Ca0.9)2Mn2O7块材作为靶材，激光电压为18.0KV，沉积速率为3HZ。沉积次数为25000次，沉积结束后自然冷却至室温，从而得到厚度为720nm的Pr(Sr0.1Ca0.9)2Mn2O7薄膜。附图1给出了依据实施例2制得的上述薄膜的X射线衍射图，从图中可以看到该薄膜是单相的。附图2给出了依据实施例2制得的上述薄膜的扫描电镜的表面图与截面图，从表面图中可以看到该薄膜的表面为三角形的颗粒分布，颗粒均匀，表面平整，边界清晰；从截面图中可以看到该薄膜垂直于表面呈柱状生长，其厚度为720nm。采用物理性能测试系统（PPMS）对薄膜进行磁性的测量。在H=7000Oe磁场冷却条件下，温度为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有垂直交换偏置效应的双层钙钛矿锰氧化物薄膜，其特征在于其分子式为：Pr(Sr

【技术特征摘要】
1.一种具有垂直交换偏置效应的双层钙钛矿锰氧化物薄膜，其特征在于其分子式为：Pr(Sr0.1Ca0.9)2Mn2O7。2.根据权利要求1所述的钙钛矿锰氧化物薄膜，其特征在于薄膜的厚度为360-940nm。3.根据权利要求1或2所述的钙钛矿锰氧化物薄膜，其特征在于，薄膜厚度为720nm。4.如权利要求1所述的钙钛矿锰氧化物薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）采用溶胶-凝胶法制备所需要的Pr(Sr0.1Ca0.9)2Mn2O7靶材；（2）采用脉冲激光沉积技术在（111）晶向的Pt/Ti/SiO2/Si基片上沉...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵旭，彭勃，蔡文辉，陈伟，
申请(专利权)人：河北师范大学，
类型：发明
国别省市：河北,13