磁控溅射法制备有序多孔CeO2薄膜及其物性研究

摘要

氧化铈(CeO2)是镧系稀土氧化物中受到广泛关注的稀土氧化物材料之一。近年来，在自旋电子器件、缓冲层材料、催化剂等诸多领域具有广阔的应用前景。本文通过直流磁控溅射法制备了有序多孔CeO2薄膜，并分别采用扫描电子显微镜(SEM)、X衍射射线(XRD)、物理性能测试仪(PPMS)以及电流—电压测试(I-V)等对其形貌、成分、磁性以及电学性质之间的关系进行了深入研究。其具体结果显示如下： （1）采用反应直流磁控溅射的方法，以有序多孔阳极氧化铝模板（PAA）为衬底制备了有序多孔CeO2薄膜，研究了CeO2薄膜的形貌和成分与制备条件之间的关系。通过XRD、SEM和EDS等对样品的结构和成分进行了表征，找到了制备有序多孔CeO2薄膜的最佳条件，并发现随着溅射时间的增长，CeO2薄膜的孔径越来越小，厚度越来越大。 （2）通过PPMS等手段对制备的有序多孔CeO2薄膜的物性进行了表征。实验发现多孔CeO2薄膜具有明显的室温铁磁性，而且外加磁场垂直于薄膜表面方向的磁性要大于平行于薄膜表面方向的磁性，垂直于薄膜表面方向的最大饱和磁化强度可以达到45 emu/cm3；实验发现有序多孔CeO2薄膜具有明显的磁各向异性，并且沿着孔的方向为易磁化方向。通过实验和理论分析，发现多孔CeO2薄膜的室温铁磁性的来源不仅与氧化物的多孔结构有关，还与单电子氧空位的密度有关，认为具有局域磁矩的单电子氧空位之间的交换耦合类似于磁性过渡金属Fe、Co和Ni之间的交换耦合作用。 （3）在有序多孔CeO2/PAA复合薄膜的基础上，进一步制备了Ag/CeO2/PAA/Al电阻开关器件，研究了电场对其阻变和磁变的调控作用。通过对Ag/CeO2/PAA/Al器件的I-V特性的表征，发现该器件实现了稳定的双极电阻开关的功能。研究发现将器件触发到高阻态或者低阻态，薄膜的磁性会发生相应地变化，亦即在外电场的作用下，利用CeO2/PAA复合薄膜的电阻转换行为可以实现对其磁性的调控。分析认为双极电阻开关特性与体系中的氧空位导电细丝的形成和断裂有关。研究表明，在Ag/CeO2/PAA/Al器件中，可以实现在电场作用下同时调控阻变和磁变的现象，上述研究结果使得多孔CeO2薄膜有望在多功能数据存储器和自旋电子器件中得到广泛应用。

目录

声明

1 绪 论

1.1 引言

1.2 二氧化铈的性质

1.3 二氧化铈材料的应用

1.4 阻变存储器概述

1.5 氧空位缺陷

1.6 本论文选题背景及研究内容

2 实验方法与表征

2.1 阳极氧化法

2.2 磁控溅射技术

2.3 薄膜的表征方法

3 有序多孔CeO2微观结构以及磁性的研究

3.1 引言

3.2 实验

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

4 Ag/CeO2/PAA/Al器件及电场对磁性的调控

4.1 引言

4.2 Ag/CeO2/Al器件的制备及I-V测试

4.3 电场对CeO2/PAA复合薄膜磁性的调控

4.4 本章小结

5 总结与展望

5.1 结论

5.2 创新点

5.3 工作展望

参考文献

致谢

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