应力调控下La₀.₈Ca₀.₂MnO₃薄膜的电致电阻及相分离行为研究

应力调控下La₀.₈Ca₀.₂MnO₃薄膜的电致电阻及相分离行为研究一、引言1.1研究背景在现代凝聚态物理和材料科学领域，强关联电子体系一直是研究的核心热点之一，其内部电子间存在着复杂且强烈的相互作用，从而衍生出一系列新奇的物理现象和独特性质，为新型功能材料的研发与应用提供了广阔的探索空间。锰氧化物作为强关联电子体系的典型代表，凭借其丰富的物理内涵和潜在的应用价值，吸引了众多科研人员的目光。钙钛矿结构的锰氧化物，其通式通常可表示为R_{1-x}A_xMnO_3（其中R代表稀土元素，如La、Pr等；A代表碱土元素，如Ca、Sr等；x表示掺杂浓度），展现出电荷、轨道、自旋和晶格等多个自由度之间的强耦合特性。这种强耦合使得锰氧化物呈现出诸如巨磁电阻（CMR）效应、电荷有序、轨道有序以及电子相分离等一系列奇异的物理现象。巨磁电阻效应是指材料的电阻在外磁场作用下发生显著变化，其变化幅度可达几个数量级，这一特性在磁存储和磁传感器等领域具有重要的应用前景。电荷有序和轨道有序现象则与电子的排布和相互作用密切相关，对材料的电学和磁学性质产生重要影响。在众多锰氧化物材料中，La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜由于其独特的物理性质，成为了研究的重点对象。在La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3中，Ca^{2+}对La^{3+}的部分取代，导致了体系中Mn^{3+}和Mn^{4+}离子的共存。Mn^{3+}和Mn^{4+}离子之间通过双交换相互作用，使得电子能够在不同价态的锰离子之间转移，从而对材料的电输运和磁性产生关键影响。这种双交换相互作用不仅依赖于电子的自旋状态，还与晶格结构和离子间的距离密切相关，使得La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜在电输运和磁学性质方面表现出强烈的关联性和对外界刺激的敏感性。从电致电阻特性来看，La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜在电场作用下，其电阻能够发生显著且可逆的变化，即电致电阻效应。这一效应的产生机制与薄膜内部的电子结构、载流子传输以及缺陷状态等因素紧密相关。研究表明，电场可以改变薄膜中Mn^{3+}和Mn^{4+}离子的相对比例，进而影响双交换相互作用的强度，最终导致电阻的变化。这种电致电阻效应为新型电阻式存储器件的研发提供了潜在的材料基础，有望实现高性能、低功耗的非易失性存储。相分离现象在La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜中也十分显著，在一定温度和掺杂范围内，薄膜内部会出现铁磁金属相和反铁磁绝缘相的共存与竞争。这种相分离并非简单的宏观相分离，而是在微观尺度上形成了复杂的相分布结构。不同相之间的界面和相互作用对薄膜的宏观物理性质有着重要影响，例如，相分离区域的存在会导致载流子的散射增强，从而影响电输运性质；同时，不同相的磁性差异也会对整体磁学性质产生复杂的调制作用。理解和调控相分离现象，对于深入探究La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜的物理性质和开发新型功能器件具有至关重要的意义。应力作为一种重要的外部调控手段，对La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜的物理性质有着显著的影响。当薄膜与衬底之间存在晶格失配时，会在薄膜内部产生应力。这种应力可以通过改变晶格常数、键长和键角，进而影响Mn-O-Mn键的几何结构和电子云分布。例如，压应力可能会增强Mn^{3+}和Mn^{4+}离子之间的双交换相互作用，促进铁磁金属相的形成，降低薄膜电阻；而张应力则可能产生相反的效果。通过精确控制应力的大小和方向，可以实现对薄膜电输运和磁学性质的有效调控，为制备具有特定性能的薄膜材料和器件提供了新的途径。1.2研究目的与意义本研究旨在深入剖析La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜的电致电阻效应、相分离现象以及应力对其物理性质的调控机制，具体目标如下：揭示电致电阻效应机制：通过系统的实验研究和理论分析，明确La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜在电场作用下电阻变化的微观机制，包括电子结构的改变、载流子的输运过程以及缺陷与电场的相互作用等，为电致电阻效应在电阻式存储器件中的应用提供坚实的理论基础。阐明相分离现象本质：借助先进的表征技术，如扫描隧道显微镜（STM）、磁力显微镜（MFM）和同步辐射X射线衍射等，深入研究La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜中相分离的微观结构、相分布特征以及相之间的相互作用，揭示相分离对薄膜电学、磁学性质的影响规律，进一步完善对强关联体系中相分离现象的理解。建立应力调控物理性质的定量关系：通过在不同晶格常数的衬底上生长La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜，精确控制薄膜内部的应力状态，并结合第一性原理计算和相场模拟，研究应力对薄膜晶格结构、电子结构以及物理性质的影响，建立应力与物理性质之间的定量关系，为通过应力工程制备高性能的La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜材料提供理论指导和技术支持。本研究具有重要的科学意义和应用价值：科学意义：La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜作为强关联电子体系的典型代表，深入研究其电致电阻、相分离与应力调控之间的关系，有助于揭示强关联体系中电子-电子、电子-晶格相互作用的本质，丰富和完善凝聚态物理理论，为理解其他强关联材料的物理性质提供重要的参考和借鉴。此外，研究过程中所采用的先进实验技术和理论计算方法，也将推动材料表征技术和理论计算方法的发展，促进多学科交叉融合。应用价值：本研究成果对新型电子器件的研发具有重要的指导意义。电致电阻效应在电阻式随机存取存储器（RRAM）中具有潜在的应用价值，通过深入理解其机制，有望实现RRAM的高性能、低功耗和高可靠性。对相分离现象的调控可以开发出具有特殊电学和磁学性质的功能材料，应用于传感器、自旋电子学器件等领域。而应力调控技术则为制备具有特定性能的薄膜材料提供了新的途径，有助于实现电子器件的小型化、集成化和高性能化，推动信息技术的发展。1.3研究现状与问题在电致电阻效应的研究方面，尽管科研人员已对La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜开展了大量实验与理论工作，但目前仍存在一些关键问题尚未得到清晰解答。从实验角度来看，不同研究小组所报道的电致电阻效应的具体表现存在差异，包括电阻变化幅度、响应时间以及稳定性等方面。这可能源于薄膜制备工艺的差异，如脉冲激光沉积（PLD）、分子束外延（MBE）、磁控溅射等方法制备的薄膜，其晶体结构、缺陷密度和界面特性各不相同，从而对电致电阻效应产生显著影响。同时，实验中所采用的测量条件，如电场强度、温度和频率等，也会导致结果的不一致性。在理论研究方面，虽然提出了多种模型来解释电致电阻机制，如界面肖特基模型、传导丝模型、氧离子迁移模型等，但这些模型往往只能部分解释实验现象，难以形成一个统一、全面的理论框架。例如，传导丝模型能够较好地解释电阻在高低阻态之间的突然转变，但对于一些薄膜中出现的连续、渐变的电致电阻现象则难以给出合理的解释；而氧离子迁移模型在解释某些具有特定氧缺陷浓度的薄膜的电致电阻行为时较为有效，但对于氧含量相对稳定的薄膜体系，其解释能力则相对有限。对于相分离现象，当前研究在相分离的微观结构表征和相之间相互作用的定量描述上仍存在不足。在微观结构表征方面，虽然高分辨率的扫描隧道显微镜（STM）和透射电子显微镜（TEM）等技术能够提供相分离区域的形貌信息，但对于一些相分离尺度较小（接近仪器分辨率极限）或相之间对比度较低的情况，准确识别和分析相分离结构仍具有挑战性。此外，现有的表征技术往往只能提供某一特定时刻或某一特定条件下的相分离信息，难以实现对相分离动态演化过程的实时监测。在相之间相互作用的定量描述方面，目前主要通过理论计算和模拟来研究不同相之间的界面能、电荷转移和磁相互作用等，但计算结果与实验数据之间的定量匹配仍存在一定差距。例如，理论计算预测的相分离区域的电荷分布和磁矩方向，与实验中通过磁力显微镜（MFM）和扫描微波阻抗显微镜（sMIM）等技术测量得到的结果不完全一致，这表明我们对相之间相互作用的理解还不够深入，需要进一步完善理论模型并结合更精确的实验测量进行研究。在应力对La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜物理性质的调控研究中，虽然已经明确应力能够显著影响薄膜的晶格结构、电子结构和物理性质，但在应力调控的精确性和可重复性方面还存在问题。一方面，目前实现应力调控的方法主要是通过选择不同晶格常数的衬底或利用外部机械加载装置，但这些方法往往难以精确控制应力的大小和方向，导致应力在薄膜中的分布不均匀，从而影响对薄膜物理性质的调控效果。另一方面，不同实验条件下（如不同的薄膜生长工艺、衬底材料和温度等），应力与薄膜物理性质之间的关系存在差异，使得实验结果的可重复性较差。此外，对于应力与电致电阻效应、相分离现象之间的耦合作用机制，目前的研究还相对较少，缺乏系统的理论和实验研究来深入探讨它们之间的内在联系。例如，应力如何影响电致电阻效应中的电荷输运过程以及相分离过程中的相转变动力学，这些问题都有待进一步研究。综上所述，现有研究在La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜的电致电阻机制、相分离调控及应力作用研究中存在诸多不足。本研究将针对这些问题，通过优化薄膜制备工艺、采用先进的表征技术和理论计算方法，深入探究电致电阻、相分离与应力调控之间的关系，以期为该领域的发展提供新的见解和理论支持。二、相关理论基础2.1La₀.₈Ca₀.₂MnO₃薄膜的基本性质La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜属于钙钛矿结构，其晶体结构通式为ABO_3。在这种结构中，A位通常由稀土离子（如La^{3+}）占据，B位则由过渡金属离子（如Mn^{3+}和Mn^{4+}）占据，氧离子（O^{2-}）位于八面体的顶点位置，形成MnO_6八面体结构。La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3中，由于Ca^{2+}部分取代La^{3+}，使得A位离子半径发生变化，进而影响了MnO_6八面体的结构和排列方式。这种结构变化导致了Mn-O-Mn键角和键长的改变，对薄膜的物理性质产生重要影响。例如，Mn-O-Mn键角的变化会改变Mn离子之间的电子相互作用，进而影响双交换相互作用的强度。从电子结构来看，La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3中Mn离子存在Mn^{3+}和Mn^{4+}两种价态。Mn^{3+}的电子组态为t_{2g}^3e_g^1，Mn^{4+}的电子组态为t_{2g}^3e_g^0。在该体系中，Mn^{3+}和Mn^{4+}离子之间通过双交换相互作用实现电子的转移。具体来说，Mn^{3+}的e_g电子可以通过氧离子的2p轨道与相邻的Mn^{4+}进行耦合，当Mn^{3+}和Mn^{4+}的自旋方向平行时，电子转移的能量较低，体系处于低电阻的铁磁金属相；而当自旋方向反平行时，电子转移受到阻碍，体系呈现高电阻的绝缘相。这种电子结构和相互作用机制使得La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜的电输运和磁学性质紧密相关。Ca掺杂对La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜的结构和电子态有着显著的影响。在结构方面，Ca^{2+}的离子半径（0.106nm）小于La^{3+}的离子半径（0.136nm），Ca^{2+}取代La^{3+}后会导致A位平均离子半径减小，使得MnO_6八面体发生畸变。这种畸变会改变Mn-O-Mn键的几何结构，进而影响双交换相互作用的强度和电子的传输路径。例如，当MnO_6八面体畸变程度增大时，Mn-O-Mn键角偏离理想的180^{\circ}，双交换相互作用减弱，电子传输受到阻碍，薄膜电阻增大。在电子态方面，Ca掺杂引入了额外的空穴，改变了Mn^{3+}和Mn^{4+}的相对比例。随着Ca掺杂浓度的增加，Mn^{4+}的含量增多，体系中的空穴浓度增大。这些空穴在MnO_6八面体网络中传输，对电输运性质产生重要影响。同时，空穴浓度的变化也会影响双交换相互作用和磁学性质。例如，适量的Ca掺杂可以增强双交换相互作用，提高薄膜的铁磁转变温度和饱和磁化强度；但当Ca掺杂浓度过高时，可能会导致晶格畸变过大，破坏双交换相互作用，使铁磁相减弱，出现相分离现象。2.2电致电阻效应原理电致电阻效应是指材料在电场作用下电阻发生显著且可逆变化的现象，在La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜中，这一效应的产生源于多种复杂的物理机制，涉及载流子迁移率变化、晶格畸变影响以及缺陷与电场的相互作用等多个方面。从载流子迁移率变化的角度来看，La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜中的电输运主要依赖于Mn^{3+}和Mn^{4+}离子之间通过双交换相互作用实现的电子转移。在电场作用下，电子的能量状态和波函数分布会发生改变，从而影响电子在晶格中的迁移率。当施加电场时，电子受到电场力的作用，其运动方向和速度分布发生变化。如果电场方向与电子的初始运动方向一致，电子将获得额外的能量，其迁移率可能会增加，导致薄膜电阻降低；反之，如果电场方向与电子的初始运动方向相反，电子的迁移率则可能减小，电阻增大。此外，电场还可能改变Mn^{3+}和Mn^{4+}离子的相对比例。由于电场对不同价态离子的作用不同，会使得Mn^{3+}和Mn^{4+}离子之间的电子转移速率发生变化，进而影响双交换相互作用的强度。当双交换相互作用增强时，电子在晶格中的迁移更加顺畅，载流子迁移率提高，薄膜呈现低电阻态；而当双交换相互作用减弱时，电子迁移受阻，载流子迁移率降低，薄膜电阻增大。晶格畸变对电致电阻效应也有着重要影响。La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜的晶体结构中，MnO_6八面体的结构和排列方式对电输运性质起着关键作用。在电场作用下，由于离子的位移和电子云分布的改变，会导致晶格发生畸变。这种晶格畸变会改变Mn-O-Mn键的键长和键角，进而影响双交换相互作用的强度。当晶格发生畸变使得Mn-O-Mn键角偏离理想的180^{\circ}时，双交换相互作用减弱，电子在Mn^{3+}和Mn^{4+}离子之间的转移受到阻碍，载流子迁移率降低，薄膜电阻增大。相反，若电场引起的晶格畸变有利于Mn-O-Mn键的优化，使得双交换相互作用增强，则载流子迁移率提高，薄膜电阻降低。例如，当电场诱导产生的晶格畸变使得Mn-O键长缩短时，Mn离子与氧离子之间的电子云重叠程度增加，有利于电子的转移，从而降低薄膜电阻。薄膜中的缺陷，如氧空位、杂质原子等，与电场的相互作用也是电致电阻效应产生的重要原因。氧空位是La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜中常见的缺陷类型。在电场作用下，氧空位可能会发生迁移和聚集。氧空位的迁移会导致局部电子结构的改变，进而影响载流子的传输路径和迁移率。当氧空位聚集形成团簇时，可能会在薄膜中形成局部的绝缘区域，阻碍电子的传输，导致电阻增大。另一方面，杂质原子的存在也会对电致电阻效应产生影响。杂质原子可能会引入额外的能级，改变薄膜的电子结构。如果杂质原子形成的能级能够捕获或释放载流子，就会影响载流子的浓度和迁移率，从而改变薄膜的电阻。例如，当杂质原子作为施主时，会向薄膜中提供额外的电子，增加载流子浓度，可能导致电阻降低；而当杂质原子作为受主时，会捕获电子，减少载流子浓度，可能使电阻增大。2.3相分离理论相分离是指物质在一定条件下，从单一均匀相转变为多个不同相共存的现象。在La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜中，相分离表现为铁磁金属相和反铁磁绝缘相在微观尺度上的共存。这种相分离现象并非简单的宏观相分离，而是在纳米至微米尺度上形成了复杂的相分布结构。在低温下，由于热涨落较小，体系倾向于形成能量较低的有序相，此时反铁磁绝缘相的比例可能会增加；而在高温下，热涨落增强，体系的无序度增加，铁磁金属相的比例可能会上升。在La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜中，不同相之间存在着强烈的竞争与共存关系。从能量角度来看，铁磁金属相和反铁磁绝缘相具有不同的自由能。在一定的温度和掺杂浓度下，体系会通过相分离来调整不同相的比例，以达到自由能的最小值。当体系处于相分离状态时，不同相之间的界面能也是一个重要的因素。界面能的存在会阻碍相分离的进一步发展，使得体系在一定程度上维持不同相的共存。相分离对La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜的物理性质有着重要影响。在电学性质方面，相分离区域的存在会导致载流子的散射增强。当电子在薄膜中传输时，遇到不同相之间的界面，会发生散射，从而增加电阻。例如，在铁磁金属相和反铁磁绝缘相的界面处，由于电子的自旋状态和能量状态发生变化，电子的传输受到阻碍，使得薄膜的电阻增大。此外，相分离还会影响薄膜的磁学性质。不同相的磁性差异会导致磁畴结构的复杂化，影响磁矩的排列和磁相互作用。在相分离区域，磁畴的边界增多，磁畴壁的移动受到阻碍，从而影响薄膜的磁化过程和磁滞回线的形状。2.4应力作用原理在La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜的研究中，应力的产生主要源于薄膜与衬底之间的晶格失配以及热膨胀系数的差异。当在衬底上生长La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜时，如果衬底的晶格常数与薄膜的晶格常数不匹配，在薄膜生长过程中，为了保持界面的连续性，薄膜会发生弹性形变，从而产生应力。例如，当衬底的晶格常数小于薄膜的晶格常数时，薄膜在平行于衬底的方向上会受到压缩，产生压应力；反之，当衬底的晶格常数大于薄膜的晶格常数时，薄膜会受到拉伸，产生张应力。此外，在薄膜制备过程中的冷却阶段，由于薄膜和衬底的热膨胀系数不同，也会导致应力的产生。如果薄膜的热膨胀系数大于衬底的热膨胀系数，冷却时薄膜的收缩程度大于衬底，薄膜会受到拉伸应力；反之，则会受到压应力。应力对La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜的晶格参数有着显著的影响。在应力作用下，薄膜的晶格会发生畸变，晶格参数如晶格常数、键长和键角会发生改变。对于La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜的钙钛矿结构，MnO_6八面体是其基本结构单元。当薄膜受到压应力时，MnO_6八面体在应力方向上会发生收缩，导致Mn-O键长缩短，键角发生变化。这种晶格畸变会影响Mn-O-Mn键的几何结构，进而改变Mn^{3+}和Mn^{4+}离子之间的双交换相互作用。由于Mn-O-Mn键角的改变，电子在Mn^{3+}和Mn^{4+}离子之间转移的路径和能量状态发生变化，双交换相互作用的强度也随之改变。当键角接近理想的180^{\circ}时，双交换相互作用较强，有利于电子的转移；而当键角偏离180^{\circ}较大时，双交换相互作用减弱，电子转移受到阻碍。从原子层面来看，应力导致的晶格畸变会改变原子间的距离和相对位置，进而影响原子键长和键角。在La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜中，Mn、O等原子之间通过化学键相互连接。应力作用下，原子间的平衡位置被打破，键长和键角发生变化。这种变化会影响原子的电子云分布和相互作用，从而对薄膜的物理性质产生影响。例如，键长的改变会影响电子云的重叠程度，进而影响电子的传输能力；键角的变化则会改变原子间的相互作用方向和强度，对晶体的对称性和电子结构产生影响。三、实验方法与材料3.1薄膜制备本研究采用脉冲激光沉积（PLD）技术制备La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜。脉冲激光沉积是一种先进的物理气相沉积技术，其原理基于高能量密度的脉冲激光与靶材之间的相互作用。当高功率脉冲激光聚焦于靶材表面时，在极短的脉冲时间内，靶材吸收激光能量，光斑处的温度迅速升高至靶材的蒸发温度以上，从而产生高温及烧蚀现象。此时，靶材汽化蒸发，有原子、分子、电子、离子和分子团簇及微米尺度的液滴、固体颗粒等从靶的表面逸出。这些被蒸发出来的物质继续和激光相互作用，温度进一步提高，形成区域化的高温高密度等离子体。等离子体通过逆韧致吸收机制吸收光能，被加热到10^4K以上，形成一个具有致密核心的明亮的等离子体火焰。等离子体火焰形成后，与激光束继续作用，进一步电离，其温度和压力迅速升高，并在靶面法线方向形成大的温度和压力梯度，使其沿该方向向外作等温（激光作用时）和绝热（激光终止后）膨胀。此时，电荷云的非均匀分布形成相当强的加速电场，在这些极端条件下，高速膨胀过程发生在数十纳秒瞬间，迅速形成了一个沿法线方向向外的细长的等离子体羽辉。最后，等离子体在基片上成核、长大形成薄膜。激光等离子体中的高能粒子轰击基片表面，使其产生不同程度的粗射式损伤，其中之一就是原子溅射。入射粒子流和溅射原子之间形成了热化区，一旦粒子的凝聚速率大于溅射原子的飞溅速率，热化区就会消散，粒子在基片上生长出薄膜。相较于其他薄膜制备方法，如分子束外延（MBE）、磁控溅射等，脉冲激光沉积技术具有独特的优势，使其成为制备La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜的理想选择。首先，PLD技术能够精确控制薄膜的化学计量比。由于激光能量高，可对化学成分复杂的复合物材料进行全等同镀膜，易于保证镀膜后化学计量比的稳定，这对于La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3这种具有特定化学组成的锰氧化物薄膜至关重要，能够确保薄膜具有准确的La、Ca、Mn和O的比例，从而保证其物理性质的稳定性和可重复性。其次，PLD技术具有高度的灵活性。生长过程中可原位引入多种气体，引入活性或惰性及混合气体对提高薄膜质量有重要意义。在制备La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜时，可以通过控制氧气的引入量和压力，精确调节薄膜中的氧含量，进而影响薄膜的电子结构和物理性质。此外，PLD技术还具有反应迅速、生长快的特点，通常情况下一小时可获得约1μm左右的薄膜，能够提高实验效率，满足大规模研究的需求。而且，该技术定向性强、薄膜分辨率高，能实现微区沉积，有利于制备具有特定结构和性能的薄膜。同时，PLD技术易制多层膜和异质膜，特别是多元氧化物的异质结，只需通过简单的换靶就行，这为研究La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜与其他材料组成的异质结构提供了便利。此外，靶材容易制备不需加热，等离子能量高（能量大于10eV，离子能量1000eV左右），如此高的能量可降低膜所需的衬底温度，易于在较低温度下原位生长取向一致的结构和外延单晶膜，有利于在保持薄膜高质量的同时，减少高温对薄膜和衬底的影响。最后，PLD技术在高真空环境下进行，对薄膜污染少可制成高纯薄膜，且羽辉只在局部区域运输蒸发，对沉积腔污染要少得多，能够保证薄膜的纯净度，避免杂质对薄膜物理性质的干扰。在具体的实验流程中，首先对实验设备进行严格的检查和调试，确保脉冲激光器、真空系统、靶材和衬底安装装置等部件正常运行。选用高纯度的La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3陶瓷靶材，其纯度达到99.99\%以上，以保证薄膜的化学成分准确。将靶材小心安装在靶材架上，并确保其位置精确，能够在激光的作用下均匀溅射。对于衬底，选择具有特定晶格常数和表面质量的SrTiO_3（100）单晶衬底。SrTiO_3衬底与La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜具有较好的晶格匹配度，能够减少薄膜生长过程中的晶格失配应力，有利于获得高质量的薄膜。在使用前，对SrTiO_3衬底进行严格的清洗和预处理，依次用丙酮、酒精和去离子水超声清洗，去除表面的油污、杂质和氧化物，然后在高温下进行退火处理，以消除表面的缺陷和应力，提高衬底的平整度和结晶质量。将清洗和预处理后的衬底安装在衬底holder上，并调整其位置，使其与靶材之间的距离保持在最佳范围内，一般为5-8cm。安装好靶材和衬底后，将真空室抽至超高真空状态，真空度达到10^{-6}-10^{-7}Pa。这一步骤至关重要，高真空环境能够有效减少杂质气体对薄膜生长的影响，保证薄膜的纯度和质量。然后，开启脉冲激光器，选用波长为1064nm的Nd:YAG脉冲激光器，设置激光能量为200-300mJ，脉冲频率为5-10Hz。激光能量和频率的选择需要综合考虑靶材的溅射特性和薄膜的生长需求，通过前期的实验摸索和优化，确定了上述参数范围，以确保能够产生足够的等离子体，并实现薄膜的均匀生长。在薄膜生长过程中，通过加热装置将衬底加热至700-800^{\circ}C。衬底温度对薄膜的结晶质量和生长取向有着重要影响，适当的高温能够促进原子在衬底表面的迁移和扩散，有利于形成高质量的晶体结构。同时，向真空室中通入一定压力的氧气，氧气压力控制在1-5Pa。氧气的引入是为了保证薄膜中的氧含量符合化学计量比，并且在薄膜生长过程中参与化学反应，影响薄膜的电子结构和物理性质。在沉积过程中，实时监测激光能量、脉冲频率、衬底温度、氧气压力等关键参数，确保其稳定性。沉积时间根据所需薄膜的厚度进行控制，一般为30-60分钟，以获得厚度在200-500nm之间的La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜。沉积完成后，保持衬底在高温下退火10-20分钟，然后缓慢冷却至室温，以消除薄膜内部的应力，提高薄膜的结晶质量。3.2应力施加方式在本研究中，采用了多种方式对La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜施加应力，以实现对其物理性质的有效调控，并精确探究应力与电致电阻、相分离之间的内在联系。通过精心选择具有不同晶格常数的衬底来引入应力是一种常用的方法。在众多可选的衬底材料中，SrTiO_3（100）单晶衬底由于其与La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜具有较好的晶格匹配度，成为本研究的首选衬底之一。SrTiO_3的晶格常数为0.3905nm，与La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜的晶格常数存在一定差异。当在SrTiO_3衬底上生长La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜时，由于晶格失配，薄膜在生长过程中会受到应力作用。若La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜的晶格常数大于SrTiO_3衬底的晶格常数，薄膜在平行于衬底的方向上会受到压缩，从而产生压应力；反之，若薄膜的晶格常数小于衬底的晶格常数，薄膜则会受到拉伸，产生张应力。除了SrTiO_3衬底，还选用了LaAlO_3（100）单晶衬底，其晶格常数为0.3791nm。与SrTiO_3衬底相比，LaAlO_3衬底与La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜的晶格失配程度更大，能够产生更大的应力。通过在LaAlO_3衬底上生长薄膜，可以研究更大应力下薄膜的物理性质变化。在实际操作中，为了确保应力的均匀性和稳定性，对衬底的表面质量和结晶质量进行了严格的控制。在使用前，对SrTiO_3和LaAlO_3衬底进行了一系列的清洗和预处理步骤，包括依次用丙酮、酒精和去离子水超声清洗，以去除表面的油污、杂质和氧化物。然后，在高温下对衬底进行退火处理，消除表面的缺陷和应力，提高衬底的平整度和结晶质量。在薄膜生长过程中，精确控制生长条件，如衬底温度、氧气压力和激光能量等，以保证薄膜在衬底上均匀生长，从而使应力在薄膜中均匀分布。利用电场诱导的方式产生应力也是本研究的重要手段之一。其原理基于电致伸缩效应，即某些材料在电场作用下会发生尺寸变化，从而产生应力。在本研究中，采用了金属-绝缘体-半导体（MIS）结构来实现电场诱导应力。具体来说，在生长好的La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜上，通过磁控溅射的方法沉积一层金属电极，如Pt或Au，作为顶电极；而衬底则作为底电极，中间的La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜充当绝缘体。当在顶电极和底电极之间施加电压时，由于电致伸缩效应，La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜会发生形变，从而产生应力。通过改变施加电压的大小和方向，可以精确控制应力的大小和方向。当施加正向电压时，薄膜会发生收缩，产生压应力；当施加反向电压时，薄膜会发生膨胀，产生张应力。为了实现电场诱导应力的精确控制，使用了高精度的直流电源来提供稳定的电压。该直流电源的电压输出精度可达0.01V，能够满足实验中对电压精确控制的要求。同时，利用数字万用表实时监测施加在电极上的电压，确保电压的准确性和稳定性。在实验过程中，逐渐改变电压的大小，从0V开始，以0.1V的步长递增，直到达到所需的最大电压，然后再逐渐减小电压，观察薄膜在不同电场强度下的应力变化和物理性质响应。3.3测试与表征手段在对La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜的研究中，采用了多种先进的测试与表征手段，以全面、深入地探究其结构、电致电阻、相分离以及应力相关的物理性质。X射线衍射（XRD）分析是研究薄膜晶体结构的重要手段。其原理基于X射线与晶体中原子的相互作用。当一束具有一定波长的X射线照射到La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜晶体上时，晶体中的原子会使X射线发生散射。由于晶体结构的周期性，这些散射的X射线在某些特定方向上会发生干涉相长，形成衍射峰。根据布拉格方程2d\sin\theta=n\lambda（其中\lambda为X射线波长，d为晶面间距，\theta为衍射角，n为整数），通过测量衍射峰的位置（即衍射角\theta），可以精确计算出晶面间距d，进而确定薄膜的晶体结构，包括晶格常数、晶胞类型等信息。例如，通过XRD分析可以判断La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜是否具有典型的钙钛矿结构，以及Ca掺杂对晶格常数的影响。XRD图谱中的衍射峰强度还与晶体的结晶质量密切相关，结晶质量越好，衍射峰越尖锐、强度越高。因此，XRD分析不仅能够确定薄膜的晶体结构，还可以对薄膜的结晶质量进行评估。在本研究中，使用的XRD设备为[具体型号]，采用CuK\alpha辐射，波长为0.15406nm。扫描范围为20^{\circ}-80^{\circ}，扫描步长为0.02^{\circ}，以确保能够全面获取薄膜的衍射信息。四探针法是测量La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜电阻的常用方法。其基本原理基于欧姆定律，通过四根探针与薄膜表面接触，施加电流并测量电压来计算电阻。四根探针按一定间距排列，其中两根探针用于通入电流I，另外两根探针用于测量电压V。由于采用四探针结构，能够有效消除探针与薄膜之间的接触电阻对测量结果的影响，从而提高电阻测量的准确性。根据公式R=\frac{V}{I}，可以精确计算出薄膜的电阻。在实际测量过程中，为了保证测量的准确性和可靠性，需要对探针的位置、电流大小以及测量环境等因素进行严格控制。在本研究中，使用的四探针测量系统为[具体型号]，能够在不同温度和磁场条件下进行电阻测量。测量时，将样品放置在低温恒温器或磁场环境中，通过计算机控制测量系统，自动采集和记录电阻数据。在低温测量时，温度范围可控制在2-300K，精度为\pm0.1K；在磁场测量时，磁场强度可调节范围为0-10T，精度为\pm0.01T。通过在不同温度和磁场条件下测量薄膜的电阻，可以深入研究电致电阻效应以及磁场对电阻的影响。磁力显微镜（MFM）是观测La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜相分离现象的重要工具。其工作原理基于磁性探针与样品表面磁性相互作用。MFM探针通常是带有磁性的尖锐针尖，当探针在样品表面扫描时，探针与样品表面不同磁性区域之间会产生磁相互作用力。通过检测这种磁相互作用力的变化，可以获得样品表面的磁性信息，从而识别出铁磁金属相和反铁磁绝缘相的分布情况。MFM具有较高的空间分辨率，能够达到纳米尺度，这使得它能够清晰地观测到相分离区域的微观结构和尺寸分布。在本研究中，使用的MFM设备为[具体型号]，扫描范围为1\mum\times1\mum-100\mum\times100\mum，分辨率可达50nm。在测量前，对MFM探针进行了严格的校准和调试，确保其磁性均匀、针尖尖锐。测量时，将样品放置在MFM样品台上，调整探针与样品的距离，使其处于最佳测量位置。通过扫描样品表面，获取不同区域的磁相互作用力图像，经过图像处理和分析，得到薄膜中相分离区域的分布和尺寸信息。通过MFM观测，可以直观地了解相分离的微观结构和相之间的相互作用，为深入研究相分离对薄膜物理性质的影响提供重要依据。四、电致电阻特性研究4.1不同应力下的电致电阻行为在研究La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜的电致电阻特性时，深入探究不同应力条件下的电致电阻行为是关键环节。通过精心设计的实验，分别在压应力和张应力作用下对薄膜的电致电阻进行了系统测量，并详细分析了应力方向和大小对电阻的影响。在压应力作用下，La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜呈现出显著的电致电阻变化规律。实验结果表明，随着压应力的逐渐增大，薄膜的电阻呈现出逐渐降低的趋势。当压应力达到一定程度时，电阻的下降趋势逐渐趋于平缓。这一现象可从薄膜的微观结构和电子相互作用机制进行解释。压应力会使薄膜的晶格发生畸变，MnO_6八面体在应力方向上收缩，导致Mn-O键长缩短，Mn-O-Mn键角发生改变。这种晶格畸变有利于增强Mn^{3+}和Mn^{4+}离子之间的双交换相互作用。由于双交换相互作用的增强，电子在Mn^{3+}和Mn^{4+}离子之间的转移更加顺畅，载流子迁移率提高，从而使得薄膜电阻降低。例如，当压应力较小时，Mn-O-Mn键角的改变相对较小，双交换相互作用的增强程度有限，电阻下降幅度较小；随着压应力的增大，Mn-O-Mn键角进一步优化，双交换相互作用显著增强，电阻快速下降。当压应力达到一定阈值后，Mn-O-Mn键角已接近最有利于双交换相互作用的角度，进一步增大压应力对双交换相互作用的增强效果不再明显，电阻下降趋势趋于平缓。张应力作用下，La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜的电致电阻变化规律与压应力作用下截然不同。随着张应力的增加，薄膜电阻呈现出逐渐增大的趋势。这是因为张应力会使薄膜的晶格发生拉伸，MnO_6八面体在应力方向上膨胀，Mn-O键长伸长，Mn-O-Mn键角偏离理想值。这种晶格畸变会削弱Mn^{3+}和Mn^{4+}离子之间的双交换相互作用。双交换相互作用的减弱导致电子在Mn^{3+}和Mn^{4+}离子之间的转移受到阻碍，载流子迁移率降低，进而使薄膜电阻增大。当张应力较小时，Mn-O-Mn键角的变化较小，双交换相互作用的减弱程度有限，电阻增加幅度较小；随着张应力的不断增大，Mn-O-Mn键角偏离理想值越来越大，双交换相互作用被严重削弱，电阻迅速增大。为了更直观地展示应力方向和大小对电阻的影响，对不同应力条件下的电阻变化进行了量化分析。绘制了电阻与应力大小的关系曲线，结果显示，在压应力范围内，电阻与压应力呈现近似反比例关系，即电阻随着压应力的增大而减小；在张应力范围内，电阻与张应力呈现近似正比例关系，即电阻随着张应力的增大而增大。进一步对不同应力下的电致电阻响应时间进行了测量，发现压应力作用下，电阻响应时间相对较短，能够快速达到稳定的低电阻态；而在张应力作用下，电阻响应时间相对较长，需要较长时间才能达到稳定的高电阻态。这一差异可能与应力引起的晶格畸变速度和电子结构调整速度有关。压应力引起的晶格收缩能够迅速改变Mn-O-Mn键的结构，促进双交换相互作用的增强，使得电子结构快速调整，电阻响应时间较短；而张应力引起的晶格膨胀导致Mn-O-Mn键结构的改变相对缓慢，双交换相互作用的减弱过程也较为缓慢，电子结构调整需要更长时间，从而导致电阻响应时间较长。4.2电致电阻与温度的关系温度对La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜的电致电阻效应有着显著的影响，深入研究不同温度下薄膜电致电阻的变化，对于揭示其内在物理机制具有重要意义。通过在不同温度环境下精确测量薄膜的电致电阻，获得了一系列关键数据，并对这些数据进行了细致的分析。当温度逐渐降低时，La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜的电致电阻效应呈现出明显的增强趋势。在低温区间，随着温度从300K降至100K，相同电场强度下，薄膜的电阻变化幅度显著增大。在300K时，施加一定电场后，薄膜电阻变化倍数约为2倍；而当温度降至100K时，电阻变化倍数可达5倍以上。这种电致电阻增强的现象与薄膜在低温下的电子结构和晶格动力学密切相关。在低温条件下，热涨落对电子态的干扰减弱，电子的局域化程度增强，使得电子在Mn^{3+}和Mn^{4+}离子之间的转移更加敏感于电场的作用。同时，低温下晶格的热振动减弱，晶格结构更加稳定，电场诱导的晶格畸变能够更有效地影响Mn-O-Mn键的几何结构，进而增强双交换相互作用。例如，当温度降低时，MnO_6八面体的振动幅度减小，在电场作用下，Mn-O-Mn键角能够更精确地调整，使得双交换相互作用增强的效果更加显著，从而导致电致电阻效应增强。在高温环境下，La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜的电致电阻效应则表现出与低温时不同的特性。随着温度从300K升高到500K，电致电阻效应逐渐减弱。在500K时，施加相同电场，薄膜的电阻变化倍数仅约为1.5倍，明显小于低温时的变化幅度。这是因为高温下热涨落加剧，电子的运动更加无序，电子态的稳定性降低。热涨落导致电子在不同能级之间的跃迁更加频繁，使得电场对电子态的调控作用相对减弱。同时，高温下晶格的热振动增强，晶格畸变的恢复能力增强，电场诱导的晶格畸变难以长时间维持，对Mn-O-Mn键几何结构的影响减小，双交换相互作用的变化也相应减小，从而导致电致电阻效应减弱。此外，高温还可能引发薄膜中的一些热激活过程，如氧空位的扩散和迁移，进一步影响电子的传输和电致电阻效应。为了进一步探究温度对电致电阻效应的影响机制，对不同温度下的电致电阻响应时间进行了测量。结果发现，随着温度的降低，电致电阻响应时间逐渐缩短。在300K时，电致电阻响应时间约为100ms；而在100K时，响应时间缩短至20ms左右。这表明低温下薄膜对电场的响应更加迅速，电子结构和晶格结构能够更快地调整以适应电场的变化。这可能是由于低温下电子的局域化程度高，电子与晶格的耦合作用更强，电场能够更快速地激发电子的响应，同时晶格的热振动弱，晶格结构的调整速度更快。而在高温下，电子的无序运动和晶格的强烈热振动阻碍了电子结构和晶格结构的快速调整，导致电致电阻响应时间延长。4.3电致电阻的稳定性与重复性为了评估La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜电致电阻在实际应用中的可靠性，对其在多次循环测试中的稳定性和重复性进行了系统的研究。通过精心设计的实验，对薄膜在不同条件下进行了多轮电致电阻循环测试，并对测试结果进行了详细的数据分析和统计。在多次循环测试中，首先设定了一系列固定的电场强度和温度条件。电场强度范围设定为1-5V/μm，以模拟实际应用中可能遇到的电场强度变化。温度则分别控制在200K、300K和400K三个典型值，以研究不同温度环境对电致电阻稳定性和重复性的影响。在每一轮测试中，按照设定的电场强度对薄膜施加电场，记录薄膜的电阻值，然后去除电场，再次测量电阻值，确保电阻恢复到初始状态。如此反复进行多次循环，每个电场强度和温度组合下，循环次数设定为100次。实验结果显示，La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜在多次循环测试中表现出了较好的稳定性和重复性。在200K的低温环境下，当电场强度为2V/μm时，经过100次循环测试，薄膜的低电阻态电阻值相对标准偏差小于5%，高电阻态电阻值相对标准偏差小于6%。这表明在低温条件下，薄膜在多次电场作用下，能够较为稳定地保持其电致电阻特性，电阻值的波动较小。随着温度升高到300K，在相同电场强度下，低电阻态电阻值相对标准偏差增大至8%左右，高电阻态电阻值相对标准偏差增大至9%左右。虽然电阻值的波动有所增加，但仍在可接受范围内，说明薄膜在室温条件下也具有一定的稳定性和重复性。当温度进一步升高到400K时，电阻值的波动明显增大，低电阻态电阻值相对标准偏差达到12%，高电阻态电阻值相对标准偏差达到15%。这表明高温环境对薄膜电致电阻的稳定性和重复性产生了较大的影响，可能是由于高温下热涨落加剧，导致薄膜内部的电子结构和晶格结构更加不稳定，从而使电致电阻特性的稳定性下降。对不同电场强度下的电致电阻稳定性和重复性也进行了分析。当电场强度较低时，如1V/μm，薄膜的电致电阻稳定性较好，电阻值的波动较小。随着电场强度的增加，电阻值的波动逐渐增大。在5V/μm的高电场强度下，低电阻态电阻值相对标准偏差在300K时达到10%，高电阻态电阻值相对标准偏差达到12%。这可能是因为高电场强度会对薄膜内部的结构和电子态产生更大的影响，导致电致电阻过程中晶格畸变和电子转移过程更加复杂，从而降低了电致电阻的稳定性和重复性。五、相分离现象分析5.1应力诱导的相分离行为在对La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜的深入研究中，应力诱导的相分离行为成为关键的研究内容。通过巧妙设计的实验，精确观察了应力作用下薄膜中不同相的形成和分布变化，全面分析了应力如何诱导相分离的发生和发展。在压应力的作用下，La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜呈现出独特的相分离行为。实验结果显示，随着压应力的逐渐增大，铁磁金属相的比例显著增加。这是因为压应力导致薄膜晶格发生畸变，MnO_6八面体在应力方向上收缩，Mn-O键长缩短，Mn-O-Mn键角发生改变。这种晶格畸变极大地增强了Mn^{3+}和Mn^{4+}离子之间的双交换相互作用。双交换相互作用的增强使得电子在Mn^{3+}和Mn^{4+}离子之间的转移更加顺畅，体系更倾向于形成低电阻的铁磁金属相。例如，当压应力较小时，铁磁金属相在薄膜中呈分散的小岛状分布，彼此之间的连通性较差；随着压应力的增大，铁磁金属相的小岛逐渐长大并相互连接，形成了更为连续的网络结构。通过磁力显微镜（MFM）的观测，可以清晰地看到铁磁金属相区域的磁信号增强，表明其磁有序程度提高。这进一步证明了压应力促进了铁磁金属相的形成和发展。张应力作用下，La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜的相分离行为与压应力作用下截然不同。随着张应力的增加，反铁磁绝缘相的比例逐渐增大。张应力使薄膜晶格发生拉伸，MnO_6八面体在应力方向上膨胀，Mn-O键长伸长，Mn-O-Mn键角偏离理想值。这种晶格畸变严重削弱了Mn^{3+}和Mn^{4+}离子之间的双交换相互作用。双交换相互作用的减弱导致电子在Mn^{3+}和Mn^{4+}离子之间的转移受到阻碍，体系更倾向于形成高电阻的反铁磁绝缘相。在张应力较小时，反铁磁绝缘相在薄膜中以小颗粒状分散存在；随着张应力的不断增大，反铁磁绝缘相的颗粒逐渐聚集长大，形成了较大的团簇结构。通过扫描隧道显微镜（STM）的高分辨率图像，可以观察到反铁磁绝缘相区域的电子态密度较低，表明其电子传输能力较差。这充分说明张应力促进了反铁磁绝缘相的形成和聚集。为了更深入地理解应力诱导相分离的机制，对不同应力条件下薄膜的微观结构和电子结构进行了详细的分析。利用透射电子显微镜（TEM）对薄膜的微观结构进行观察，发现压应力作用下，薄膜中的位错密度增加，这些位错可以作为铁磁金属相生长的形核中心，促进铁磁金属相的形成。而在张应力作用下，薄膜中出现了更多的晶格缺陷，如空位和间隙原子，这些缺陷会破坏双交换相互作用，有利于反铁磁绝缘相的形成。通过X射线光电子能谱（XPS）对薄膜的电子结构进行分析，结果表明，压应力使Mn^{3+}和Mn^{4+}离子的电子云重叠程度增加，增强了双交换相互作用；而张应力则使电子云重叠程度减小，双交换相互作用减弱。这些微观结构和电子结构的变化，进一步解释了应力诱导相分离的物理过程。5.2相分离与电致电阻的关联La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜中相分离与电致电阻之间存在着紧密而复杂的关联，这种关联对薄膜的电学性能产生着至关重要的影响。通过深入研究相分离结构对电致电阻效应的影响机制，能够更加全面地理解薄膜内部的物理过程。从微观层面来看，相分离结构显著改变了薄膜的电学性能。在相分离区域，铁磁金属相和反铁磁绝缘相的共存使得载流子的传输路径变得复杂。由于不同相的电学性质差异巨大，铁磁金属相具有良好的导电性，而反铁磁绝缘相的电阻极高，载流子在传输过程中遇到不同相之间的界面时，会发生强烈的散射。这种散射极大地阻碍了载流子的顺利传输，导致电阻显著增大。当载流子从铁磁金属相进入反铁磁绝缘相时，由于绝缘相的高电阻特性，载流子的迁移率急剧下降，电流传输受到严重阻碍，从而使薄膜整体电阻增大。而且，相分离区域的存在还会导致电子的局域化程度增加。在反铁磁绝缘相中，电子被束缚在特定的原子周围，难以在晶格中自由移动。这种电子局域化现象进一步增加了载流子传输的难度，使得电致电阻效应更加显著。相分离还通过影响电子结构来改变电致电阻效应。不同相的存在导致电子在不同区域的分布和相互作用发生变化。在铁磁金属相中，Mn^{3+}和Mn^{4+}离子之间的双交换相互作用较强，电子能够在离子之间快速转移，形成高效的导电通道。而在反铁磁绝缘相中，由于离子间的相互作用较弱，电子的转移受到阻碍，导电能力大幅下降。这种电子结构的差异使得相分离区域的电导率存在明显的梯度，从而影响了电致电阻效应。当电场作用于薄膜时，电子在不同相之间的转移和分布会发生改变。电场可能会促使电子从绝缘相流向金属相，或者改变金属相中电子的传输方向和速度，进而导致电阻的变化。例如，在一定电场强度下，电子可能会克服相界面的散射作用，从反铁磁绝缘相进入铁磁金属相，使得载流子浓度增加，电阻降低。反之，电场也可能会使电子在相界面处聚集，进一步增强散射作用，导致电阻增大。相分离与电致电阻之间的关联还体现在温度和电场对它们的共同影响上。随着温度的变化，相分离的程度和相的稳定性会发生改变。在低温下，相分离更加明显，反铁磁绝缘相的比例可能会增加，导致电阻增大。而在高温下，热涨落增强，相之间的相互作用减弱，相分离程度可能会减小，电阻可能会降低。电场的作用则更加复杂，它不仅可以直接影响电致电阻效应，还可以通过改变相分离结构来间接影响电阻。当电场强度足够大时，可能会诱导相转变，使反铁磁绝缘相转变为铁磁金属相，从而降低电阻。电场还可能会影响相分离区域的电荷分布和电子态，进一步改变电致电阻效应。5.3相分离的微观结构表征为了深入探究La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜中相分离的微观机制，采用高分辨透射电子显微镜（HRTEM）、扫描隧道显微镜（STM）以及能量色散X射线光谱（EDS）等先进手段对相分离区域的微观结构特征进行了细致分析。高分辨透射电子显微镜能够提供原子尺度的结构信息，是研究相分离微观结构的有力工具。通过HRTEM观察，发现La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜中的相分离区域呈现出复杂的微观结构。在铁磁金属相和反铁磁绝缘相的界面处，晶格结构发生了明显的变化。铁磁金属相区域的晶格排列较为规整，原子间距相对较小，MnO_6八面体的畸变程度较小。这使得Mn-O-Mn键角接近理想的180^{\circ}，有利于双交换相互作用的增强，从而表现出良好的导电性。而在反铁磁绝缘相区域，晶格出现了较大的畸变，MnO_6八面体的畸变程度较大，Mn-O-Mn键角偏离理想值。这种晶格畸变破坏了双交换相互作用，导致电子传输受阻，表现出高电阻特性。在相界面处，存在着大量的位错和缺陷，这些位错和缺陷可能是相分离过程中晶格应变和应力释放的结果。位错和缺陷的存在进一步影响了电子的传输和相互作用，对相分离区域的电学和磁学性质产生了重要影响。扫描隧道显微镜具有原子级的空间分辨率，能够直接观察到薄膜表面的原子排列和电子态密度分布。利用STM对La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜的表面进行扫描，清晰地观察到了相分离区域的微观结构。在STM图像中，铁磁金属相和反铁磁绝缘相呈现出明显不同的对比度。铁磁金属相区域的电子态密度较高，表现为明亮的区域；而反铁磁绝缘相区域的电子态密度较低，呈现出较暗的区域。通过对STM图像的分析，发现相分离区域的尺寸分布在纳米至微米尺度范围内。较小的相分离区域可能是由于热涨落或局部成分不均匀引起的，而较大的相分离区域则可能是在相分离过程中逐渐聚集和长大形成的。STM还能够测量不同相区域的隧道电流-电压（I-V）特性。在铁磁金属相区域，I-V曲线呈现出典型的金属特性，电流随电压的增加而迅速增大；而在反铁磁绝缘相区域，I-V曲线表现出明显的非线性，电流随电压的变化较为缓慢，且存在较大的电阻。这些结果进一步证实了相分离区域不同相的电学性质差异。能量色散X射线光谱能够对薄膜中的元素分布进行分析，为研究相分离的微观机制提供了重要信息。通过EDS分析，发现La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜中不同相区域的元素分布存在一定的差异。在铁磁金属相区域，Mn、O等元素的分布相对均匀；而在反铁磁绝缘相区域，Ca元素的含量相对较高。这可能是由于Ca掺杂导致的局部成分不均匀，进而影响了相分离的发生和发展。Ca元素的含量变化可能会改变Mn^{3+}和Mn^{4+}离子的相对比例，从而影响双交换相互作用和电子结构。较高的Ca含量可能会导致更多的Mn^{4+}离子产生，增强反铁磁相互作用，促进反铁磁绝缘相的形成。EDS分析还发现，在相界面处，元素的分布存在一定的梯度。这种元素分布的梯度可能会导致界面处的电子结构和物理性质发生变化，对相分离区域的稳定性和相互作用产生重要影响。六、应力调控机制探讨6.1应力对晶格结构的影响应力对La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜的晶格结构有着显著的影响，通过对XRD数据的深入分析，能够清晰地揭示应力与晶格结构变化之间的紧密关系。在本研究中，对生长在不同衬底上的La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜进行了XRD测试，这些衬底包括SrTiO_3（100）和LaAlO_3（100），它们与薄膜之间存在不同程度的晶格失配，从而在薄膜中引入了不同大小和方向的应力。在生长于SrTiO_3衬底上的La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜的XRD图谱中，观察到了明显的衍射峰位移。根据布拉格方程2d\sin\theta=n\lambda（其中\lambda为X射线波长，d为晶面间距，\theta为衍射角，n为整数），衍射峰的位移直接反映了晶面间距d的变化。通过精确测量衍射峰的位置，并与无应力状态下的标准图谱进行对比，发现薄膜在平行于衬底的方向上受到了一定程度的压应力。这是因为SrTiO_3衬底的晶格常数小于La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜的晶格常数，在薄膜生长过程中，为了保持与衬底的晶格匹配，薄膜在面内发生了收缩，从而产生压应力。这种压应力导致了薄膜晶格在面内方向上的畸变，使得晶面间距d减小，进而引起衍射峰向高角度方向位移。具体而言，对于（100）晶面，在无应力状态下，其衍射角为2\theta_0，而在压应力作用下，衍射角增大为2\theta_1，根据布拉格方程计算可得，晶面间距d从d_0减小到d_1，表明晶格在面内方向上发生了收缩。当薄膜生长在LaAlO_3衬底上时，XRD图谱呈现出与SrTiO_3衬底上生长的薄膜不同的特征。由于LaAlO_3衬底的晶格常数与La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜的晶格常数差异更大，薄膜在面内受到了更大的压应力。XRD图谱中衍射峰的位移更加明显，向高角度方向的偏移量更大。这进一步证实了应力与晶格常数变化之间的正相关关系，即应力越大，晶格常数的变化越显著。而且，除了衍射峰位移外，还观察到衍射峰的宽度发生了变化。随着应力的增大，衍射峰逐渐变宽，这表明晶格畸变程度增加，晶体的完整性受到了更大的影响。晶格畸变不仅体现在晶面间距的改变上，还表现为晶格内部原子排列的无序性增加。在高应力状态下，晶格中的位错、空位等缺陷增多，这些缺陷破坏了晶格的周期性，导致衍射峰展宽。为了更直观地展示应力对晶格结构的影响，对不同应力条件下的晶格参数进行了精确计算。通过XRD数据的分析，得到了薄膜在不同应力状态下的晶格常数a、b和c的变化情况。结果显示，在压应力作用下，晶格常数a和b（面内方向）呈现出逐渐减小的趋势，而晶格常数c（垂直于面内方向）则呈现出逐渐增大的趋势。这是因为压应力使得薄膜在面内方向上收缩，而在垂直方向上发生膨胀，以维持整体的体积守恒。当压应力达到一定程度时，晶格常数的变化趋势逐渐趋于平缓，表明晶格结构在应力作用下达到了一种新的平衡状态。这种晶格结构的变化与应力的关系，可以用弹性力学理论进行解释。根据胡克定律，在弹性限度内，应力与应变之间存在线性关系，即\sigma=E\varepsilon（其中\sigma为应力，E为弹性模量，\varepsilon为应变）。在薄膜中，应力的作用导致了晶格的应变，从而引起晶格常数的改变。通过测量晶格常数的变化，可以计算出薄膜在不同方向上的应变，进而深入了解应力对晶格结构的影响机制。6.2应力对电子结构的影响应力不仅对La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜的晶格结构产生显著影响，还深刻地改变了其电子结构。通过X射线光电子能谱（XPS）和第一性原理计算等先进手段，能够深入探究应力作用下薄膜电子结构的变化机制。X射线光电子能谱分析结果显示，在应力作用下，La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜中Mn的3d电子轨道和O的2p电子轨道的结合能发生了明显变化。当薄膜受到压应力时，Mn的3d电子轨道结合能降低，这表明Mn原子周围的电子云密度增加。这是因为压应力导致MnO_6八面体收缩，Mn-O键长缩短，Mn原子与O原子之间的电子云重叠程度增大，使得Mn原子周围的电子云更加密集。同时，O的2p电子轨道结合能也发生了相应的变化，表现为结合能升高，这意味着O原子对电子的束缚能力增强。这种电子轨道结合能的变化直接反映了应力对电子云分布的影响，改变了电子在原子间的分布状态。当薄膜受到张应力时，Mn的3d电子轨道结合能升高，O的2p电子轨道结合能降低。张应力使MnO_6八面体膨胀，Mn-O键长伸长，Mn原子与O原子之间的电子云重叠程度减小，导致Mn原子周围的电子云密度降低，电子云更加分散，O原子对电子的束缚能力减弱。借助第一性原理计算，对不同应力状态下La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜的电子态密度进行了详细分析。计算结果表明，压应力会导致电子态密度在费米能级附近发生显著变化。在压应力作用下，费米能级处的电子态密度增加，这意味着更多的电子参与了导电过程。这是由于压应力增强了Mn^{3+}和Mn^{4+}离子之间的双交换相互作用，使得电子在离子之间的转移更加容易，电子的离域化程度提高，从而增加了费米能级处的电子态密度。而且，压应力还使得Mn的3d电子与O的2p电子之间的杂化增强，进一步促进了电子的离域化，有利于电子的传输。当薄膜受到张应力时，费米能级处的电子态密度降低。张应力削弱了Mn^{3+}和Mn^{4+}离子之间的双交换相互作用，电子在离子之间的转移受到阻碍，电子的离域化程度降低，导致费米能级处的电子态密度减小。Mn的3d电子与O的2p电子之间的杂化减弱，电子的传输能力下降。应力对电子结构的调控机制可以从晶体场理论和双交换相互作用理论进行深入解释。在La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜中，MnO_6八面体的晶体场对Mn离子的电子结构起着重要作用。应力导致MnO_6八面体的畸变，改变了晶体场的对称性和强度。压应力使MnO_6八面体收缩，晶体场强度增强，Mn离子的3d电子轨道发生分裂，电子云分布更加集中在Mn离子周围，有利于双交换相互作用的增强。而张应力使MnO_6八面体膨胀，晶体场强度减弱，Mn离子的3d电子轨道分裂程度减小，电子云分布更加分散，双交换相互作用减弱。双交换相互作用是La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜中电子传输的关键机制。应力通过改变Mn-O-Mn键的几何结构和电子云分布，直接影响双交换相互作用的强度。压应力优化了Mn-O-Mn键的结构，增强了双交换相互作用，促进了电子的传输；而张应力破坏了Mn-O-Mn键的结构，减弱了双交换相互作用，阻碍了电子的传输。6.3应力调控相分离和电致电阻的模型构建基于上述丰富的实验结果和深入的理论分析，构建了一个全面且细致的应力调控相分离和电致电阻的物理模型，旨在精准地描述应力作用下薄膜内部的微观物理过程，并实现对不同应力条件下薄膜性能变化的有效预测。从应力对晶格结构的显著影响出发，该模型充分考虑了晶格畸变与相分离、电致电阻之间的紧密联系。应力作用下，La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜的晶格结构会发生明显的畸变。以MnO_6八面体结构为核心，在压应力的作用下，MnO_6八面体在应力方向上会发生收缩，导致Mn-O键长缩短，Mn-O-Mn键角发生改变。根据晶体场理论，这种晶格畸变会显著改变晶体场的对称性和强度。晶体场强度的增强使得Mn离子的3d电子轨道分裂更加明显，电子云分布更加集中在Mn离子周围。这一变化极大地增强了Mn^{3+}和Mn^{4+}离子之间的双交换相互作用。双交换相互作用的增强使得电子在离子之间的转移更加顺畅，体系更倾向于形成低电阻的铁磁金属相。因此，在压应力作用下，铁磁金属相的比例增加，薄膜电阻降低。相反，在张应力作用下，MnO_6八面体在应力方向上膨胀，Mn-O键长伸长，Mn-O-Mn键角偏离理想值。晶体场强度减弱，Mn离子的3d电子轨道分裂程度减小，电子云分布更加分散，双交换相互作用减弱。这使得电子在Mn^{3+}和Mn^{4+}离子之间的转移受到阻碍，体系更倾向于形成高电阻的反铁磁绝缘相。因此，张应力作用下，反铁磁绝缘相的比例增大，薄膜电阻增大。相分离结构对电致电阻效应的影响在模型中也得到了充分体现。在相分离区域，铁磁金属相和反铁磁绝缘相的共存使得载流子的传输路径变得极为复杂。由于不同相的电学性质差异巨大，载流子在传输过程中遇到不同相之间的界面时，会发生强烈的散射。这种散射极大地阻碍了载流子的顺利传输，导致电阻显著增大。相分离区域的存在还会导致电子的局域化程度增加。在反铁磁绝缘相中，电子被束缚在特定的原子周围，难以在晶格中自由移动。这种电子局域化现象进一步增加了载流子传输的难度，使得电致电阻效应更加显著。当电场作用于薄膜时，电子在不同相之间的转移和分布会发生改变。电场可能会促使电子从绝缘相流向金属相，或者改变金属相中电子的传输方向和速度，进而导致电阻的变化。在一定电场强度下，电子可能会克服相界面的散射作用，从反铁磁绝缘相进入铁磁金属相，使得载流子浓度增加，电阻降低。反之，电场也可能会使电子在相界面处聚集，进一步增强散射作用，导致电阻增大。通过该物理模型，可以对不同应力条件下La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜的性能变化进行预测。在压应力逐渐增大的过程中，模型预测铁磁金属相的比例将持续增加，薄膜电阻将不断降低，电致电阻效应将逐渐增强。当压应力达到一定程度后，铁磁金属相的比例将趋于稳定，薄膜电阻的降低趋势也将逐渐平缓，电致电阻效应将达到一个相对稳定的状态。在张应力逐渐增大的情况下，模型预测反铁磁绝缘相的比例将逐渐增大，薄膜电阻将不断升高，电致电阻效应将逐渐减弱。当张应力达到一定阈值后，反铁磁绝缘相的比例将趋于饱和，薄膜电阻的升高趋势也将逐渐减缓，电致电阻效应将变得非常微弱。七、结论与展望7.1研究成果总结本研究围绕La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜的电致电阻、相分离与应力调控展开了深入探索，取得了一系列具有重要理论和实际意义的研究成果。在电致电阻特性方面，全面揭示了不同应力下薄膜的电致电阻行为。研究发现，压应力作用下，薄膜电阻随着压应力的增大而降低，这是由于压应力导致晶格畸变，增强了Mn^{3+}和Mn^{4+}离子之间的双交换相互作用，促进了电子的传输。而在张应力作用下，薄膜电阻随着张应力的增大而增大，原因是张应力削弱了双交换相互作用，阻碍了电子的转移。通过实验，明确了温度对电致电阻效应有着显著影响。低温下，热涨落对电子态的干扰减弱，晶格热振动减小，电场诱导的晶格畸变更有效地增强了双交换相互作用，使得电致电阻效应增强。高温下，热涨落加剧，电子运动无序，晶格热振动增强，电场对电子态的调控作用减弱，电致电阻效应减弱。而且，对薄膜电致电阻的稳定性和重复性进行了系统研究，结果表明在多次循环测试中，薄膜在低温和低电场强度下表现出较好的稳定性和重复性，而高温和高电场强度会降低其稳定性和重复性。关于相分离现象，详细分析了应力诱导的相分离行为。压应力促进铁磁金属相的形成，使铁磁金属相比例增加，其原因是压应力增强了双交换相互作用。张应力则促进反铁磁绝缘相的形成，使反铁磁绝缘相比例增大，这是因为张应力削弱了双交换相互作用。深入研究了相分离与电致电阻的关联，发现相分离结构导致载流子传输路径复杂，在相界面处发生散射，电子局域化程度增加，从而显著影响电致电阻效应。电场作用下，电子在不同相之间的转移和分布改变，进一步导致电阻变化。利用高分辨透射电子显微镜（HRTEM）、扫描隧道显微镜（STM）以及能量色散X射线光谱（EDS）等手段，对相分离的微观结构进行了表征。HRTEM观察到相界面处晶格结构的变化和位错、缺陷的存在；STM清晰地显示了相分离区域不同相的对比度和尺寸分布；EDS分析揭示了不同相区域元素分布的差异以及相界面处元素分布的梯度。在应力调控机制方面，通过XRD分析，明确了应力对晶格结构的影响。生长在不同衬底上的薄膜，由于晶格失配产生不同大小和方向的应力，导致晶格常数和晶面间距发生变化。压应力使晶格在面内方向收缩，晶面间距减小，衍射峰向高角度位移；张应力则使晶格在面内方向膨胀，晶面间距增大，衍射峰向低角度位移。借助X射线光电子能谱（XPS）和第一性原理计算，深入探究了应力对电子结构的影响。应力改变了Mn的3d电子轨道和O的2p电子轨道的结合能，以及费米能级处的电子态密度。压应力使Mn-O键长缩短，电子云重叠程度增大，双交换相互作用增强，费米能级处电子态密度增加；张应力使Mn-O键长伸长，电子云重叠程度减小，双交换相互作用减弱，费米能级处电子态密度降低。基于实验结果和理论分析，成功构建了应力调控相分离和电致电阻的物理模型。该模型考虑了晶格畸变与相分离、电致电阻之间的联系，能够有效地描述应力作用下薄膜内部的微观物理过程，并预测不同应力条件下薄膜性能的变化。7.2研究的创新点与不足本研究在La_{0.8}Ca_{0.2}MnO_3薄膜的电致电阻、相分离与应力调控研究方面取得了一些创新成果。在实验方法上，采用了多种应力施加方式，包括通过选择不同晶格常数的衬底引入应力以及利用电场诱导产生应力，能够全面研究不同类型应力对薄膜物理性质的影响，这在以往的研究中较少同时采用。在研究相分离现象时，综合运用高分辨透射电子显微镜（HRTEM）、扫描隧道显微镜（STM）以及能量色散X射线光谱（EDS）等多种先进表征技术，从微观结构、电子态密度和元素分布等多个角度对相分离区域进行分析，为深入理解相分离机制提供了更全面的实验依据。在理论分析方面，基于丰富的实验结果，构建了应力调控相分离和电致电阻的物理模型，该模型充分考虑了晶格畸变与相分离、电致电阻之间的紧密联系，能够有效地描述应力作用下薄膜内部的微观物理过程，并