单晶Fe3O4薄膜离子液体双电层场效应调控的研究

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四氧化三铁作为电学和磁学性质非常丰富的材料,具有很大的研究价值。前人曾研究用传统意义上的场效应管施加的静电场对四氧化三铁薄膜verwey相变进行调控,受静电场强度不强的影响,薄膜电阻、相变温度虽有一些变化,但变化不大,由此我们想到了静电场强度可达10Mv/cm的离子液体电双层场效应,即EDLT。和样品掺杂方法相比,电双层场效应方法是一种比较“干净”的调控手段,很多研究学者曾用电双层场效应调控过各种样品体系,如ZnO、(La,Sr)MnO3、SrTiO3、MoS2、Pt、Au、VO2、TiO2、 BaTiO3、WS2、(Mn, Ga)As、Y-Ba-Cu-O等等,同时也诱导出绝缘体-金属相变、绝缘体-超导相变、铁磁性相变等。电双层场效应对单晶四氧化三铁薄膜的调控很少见,发表的刊物也极少。本课题正是在这种理论基础和研究背景之下,运用电双层场效应方法对单晶四氧化三铁薄膜在薄膜电阻、霍尔效应等方面做了较为详细的探究。  本课题组运用磁控溅射仪Fe-O反应溅射的方法,通过不断地摸索实验条件,并用扫描电子显微镜、EDS、X-RD、XPS、拉曼光谱仪器对制备出的薄膜样品进行严格的探测和表征,最终成功制备了高品质的单晶四氧化三铁薄膜。之后,制作四氧化三铁薄膜EDLT装置,经过不断的改善和简化,成功制作出优良的EDLT装置。由于受ppms测试精度的限制,又学习并熟练运用了labview程序,采用ppms外接labview程序测试薄膜EDLT装置。  以EDLT调控金膜为例,结合前人电双层场效应调控金膜文献,很好的对本装置系统做了进一步的验证和分析,表明装置系统的完善性。开始研究了220K下电双层场效应对Fe3O4薄膜的静电场载流子浓度的调控,发现,去除水气的离子液体电双层调控的薄膜电阻仅有略微变化,而存有水气的离子液体电双层场效应调控引起的薄膜电阻的变化较大,因此水气是影响实验结果的重要因素,同时也获得了较好的数据;转而研究300K下离子液体电化学效应的调控,吃惊的发现,低温时薄膜电阻有从绝缘体到金属的相变;随着调控的进行,磁阻逐渐不受磁场的影响;通过霍尔效应测试分析,薄膜样品有可能从铁磁性到顺磁性的转变;根据多方面的考察和分析,比较合理的实验机理解释是:300K施加正Vg下,电化学效应的影响致使薄膜中形成氧空位,氧游离到离子液体中,因此薄膜中的氧大量流失,而具有顺磁性的Fe的比重逐渐加大,致使上述现象的发生。本实验得出了较好的实验现象,结合实验论据和相关文献,完善了实验现象的解析。本课题仍然存在不足之处:由于受课题组实验仪器条件的限制,本课题只给出了单方面的实验佐证,尚需多方面的考察和探究。
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