探究微结构La_(1x)Sr_xCoO_3陶瓷、薄膜制备与薄膜横向热电效应

摘要：近年来钙钛矿结构的La1-xSrxCoO3受到越来越多的关注,一方面是因为其电子和离子混合导电性使这种材料可以广泛运用于燃料电池的电极、透氧隔膜和气体传感器,另一方面是因为低Sr含量La1-xSrxCoO3具有优异的热电性能以及有着负磁阻效应、自旋转变和相分离等奇特的物理现象。本论文围绕La1-xSrxCoO3陶瓷、薄膜的制备及薄膜的横向热电效应开展实验探讨,主要探讨了Sr含量对La1-xSrxCoO3陶瓷晶体结构和微结构的影响,倾斜薄膜的外延特性表征和电阻率对横向热电电压信号响应速度的调制。采取910℃/20h+1100℃/10h工艺在空气中固相烧结制备了纯相的La1-xSrxCoO3(0≤x≤1)陶瓷。X射线衍射结果表明,随着Sr含量的增加,La1-xSrxCoO3陶瓷的晶体结构在x=0.3～0.4由菱方结构转变为立方结构,晶格常数不断增加；空气氛围中的二次烧结使高Sr含量陶瓷由六方相转变成立方相。四探针法电输运性质测量表明在80K-300K温度范围内,La1-xSrxCoO3(0≤x≤0.2和0.9≤x≤1)陶瓷呈现半导体输运转为,La1-xSrxCoO3(0.3≤x≤0.8)呈属输运转为；0≤x≤0.7范围内,Sr含量的增加使得La1-xSrxCoO3陶瓷的室温电阻率不断减少,而当x≥0.8时,继续增加Sr含量却导致室温电阻率不断增加。采取SEM对陶瓷的断面进行微结构观察,发现随着Sr含量的增加,La1-xSrxCoO3陶瓷的晶粒尺寸和孔洞尺寸不断增加,晶粒连接更加紧密,晶界不断减少。微结构的变化主要是不同Sr含量下晶粒生长动能指数n和活化能Q有所差别造成的。采取脉冲激光淀积技术在平直和倾斜单晶衬底上制备出外延La1-xSrxCoO3(0.05≤x≤0.5)薄膜。对平直衬底上生长的薄膜的微观结构和电输运性质测试表明LAO(100)衬底比STO(100)衬底更适合用来生长La1-xSrxCoO3薄膜,同时增加淀积氧压可以显著减少薄膜的电阻。利用X射线衍射技术对倾斜衬底上生长的薄膜的外延特性进行表征,其结果表明随着衬底倾斜角度的增加(台阶宽度变小),薄膜的结晶质量和外延特性变差。脉冲激光作为热源加热薄膜上表面,探讨了倾斜La1-xSrxCoO3(0.05≤x≤0.5)薄膜的横向热电效应。La1-xSrxCoO3(0.05≤x≤0.5)薄膜的横向热电电压信号峰值随着Sr含量的增加,先增加后减少,在x=0.3处达到最大值。电阻率是决定横向热电电压信号响应速度的主要因素；采取实验和论述计算相结合的策略证明了电阻率越小,激光在薄膜中的穿透深度越小,最终使得响应速度越快。关键词：La_(1-x)Sr_xCoO_3论文陶瓷论文微结构论文脉冲激光淀积论文外延薄膜论文横向热电效应论文

摘要3-5

Abstract5-7

目录7-10

第一章 La_(1-x)Sr_xCoO_3材料和横向热电效应介绍10-29

1.1 La_(1-x)Sr_xCoO_3材料系统概述10-18

1.1.1 晶体结构和相图10-12

1.1.2 输运性质12-16

1.1.3 热电性质16-18

1.2 横向热电效应介绍18-23

1.2.1 热电效应18-20

1.2.2 横向热电效应的基本原理20-23

1.3 横向热电效应的探讨近况23-27

1.3.1 材料系统23-25

1.3.2 器件运用探讨25-27

1.4 本论文的作用和主要探讨内容27-29

1.4.1 探讨的作用27-28

1.4.2 探讨的主要内容28-29

第二章 实验策略和原理29-38

2.1 固相反应法制备陶瓷介绍29-30

2.2 脉冲激光淀积制备薄膜概述30-35

2.2.1 脉冲激光淀积的基本原理31-32

2.2.2 脉冲激光淀积系统32-34

2.2.3 脉冲激光淀积技术的特点34-35

2.3 材料的表征和性能测试以及横向热电电压信号测量35-38

2.3.1 材料的表征和性能测试35-37

2.3.2 横向热电信号的测量37-38

第三章 La_(1-x)Sr_xCoO_3(0≤x≤1)陶瓷的制备38-51

3.1 固相反应制备陶瓷工艺探讨38-40

3.2 La_(1-x)Sr_xCoO_3陶瓷的晶体结构40-43

3.3 La_(1-x)Sr_xCoO_3陶瓷的电输运性质43-46

3.4 SR含量对La_(1-x)Sr_xCoO_3陶瓷微结构的影响46-50

3.5 本章小结50-51

第四章 平直和倾斜单晶衬底上La_(1-x)Sr_xCoO_3(0.05≤x≤0.5)薄膜的生长和表征51-65

4.1 PLD制备薄膜工艺探讨51-55

4.1.1 衬底的选择51-54

4.1.2 淀积氧压的选择54-55

4.2 薄膜厚度的近似测量55-56

4.3 平直衬底上薄膜的表征56-57

4.4 倾斜衬底上薄膜的外延表征57-63

4.4.1 XRD测量策略57-58

4.4.2 倾斜La_(1-x)Sr_xCoO_3薄膜的外延特性58-63

4.5 本章小结63-65

第五章 倾斜La_(1-x)Sr_xCoO_3(0.05≤x≤0.5)薄膜的横向热电效应65-78

5.1 信号产生机制讨论65-68

5.2 SR含量对La_(1-x)Sr_xCoO_3薄膜信号峰值的影响68-73

5.3 电阻率对信号响应速度的调制73-77

5.4 本章小结77-78

第六章 结论与展望78-80

6.1 论文的主要探讨工作和结论78-79

6.2 论文工作的主要革新点79

6.3 未来展望79-80

致谢80-81