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user: 3. 结果与讨论 我们采用切面m面蓝宝石作为横向纳米模板。通过在高温下退火后形成纳米级的沟槽。用原子力显微镜(AFM)对样品的表面形貌进行分析，结果如图1(a)所示，图1(b)为图1(a)所在区域的三维效果图，在m面蓝宝石衬底上获得具有1个1 μm的7个周期的纳米级波纹，并且每个波纹的深度约为10 nm。平行 图1. (a) 重构蓝宝石表面形貌；(b) 蓝宝石表面三维效果图；(c) 生长1000脉冲的薄膜表面形貌；(d) 生长700脉冲薄膜表面形貌 于纳米条纹的方向是蓝宝石的面内方向[11-20]。分析不同厚度薄膜对沟道的覆盖，分别是沉积了1000脉冲、700脉冲不同厚度的薄膜，其表面形貌如图1(c)、图1(d)所示，生长1000脉冲厚度的薄膜差不多把沟道填满，而生长700脉冲厚度的薄膜没有把沟道填满。利用XRD对在重构蓝宝石表面生长大约6 nm的LSMO薄膜样品进行扫描，图2是薄膜的θ-2θ衍射图。 图2. X射线θ-2θ扫描衍射峰 为了进一步研究LSMO的输运性质，我们通过范德堡原理进行测试 [ 15 ]。在正方形样品表面四个角上引出四个电极，在沿着蓝宝石基片的[11-20]方向和[ 0001 ]分别施加正负5 uA的电流，通过在对施加电流的平行边测量电压，最后通过计算获得精确的电阻率。 图3. (a) 重构蓝宝石表面生长LSMO薄膜测试的电阻率与温度曲线；(b) 未重构蓝宝石表面生长LSMO薄膜测试的电阻率与温度曲线 重构蓝宝石表面生长LSMO薄膜测试的电阻率与温度曲线如图3所示，从图3(a)中可以看到在测试的温度区间中，[ 0001 ]方向的电阻率均大于[11-20]方向的电阻率，表明电阻率具有本征的各向异性。更明显的不同之处在于在[ 0001 ]方向上和[11-20]方向上的转变点。在升温过程中，[ 0001 ]方向MIT转变点在233 K，而[11-20]方向的转变点在237 K，同样的降温过程和升温过程重合的很好，两个方向的转变点也是分别在233 K和237 K。由此输运结果，可以明显的看出，在重构的蓝宝石(10-10)基片上生长的LSMO薄膜确实存在着MIT的各向异性。为了证明结果的可信性，我们做了对照实验。使用同样的生长参数在没有重构的蓝宝石衬底(10-10)上生长LSMO薄膜，使用同样的方法测试，得到电阻率与温度曲线如图3(b)所示。可以看到在升温过程中，[ 0001 ]方向MIT转变点在225 K，而[11-20]方向的转变点也在225 K，同样的降温过程和升温过程，两个方向的转变点也都在225 K。这个结果表明了没有重构的蓝宝石衬底(10-10)上生长的LSMO薄膜只有电阻具有本征的各向异性，而没有MIT的各向异性。通过实验组与对照实验的对比进一步说明了蓝宝石表面重构可以调控LSMO薄膜的输运性质。 图4. (a) 磁场方向平行于Al 2 O 3 [11-20]的ZFC、FC曲线；(b) 磁场方向平行于Al 2 O 3 [ 0001 ]的ZFC、FC曲线；(c) 磁场方向平行于Al 2 O 3 [11-20]和平行于Al 2 O 3 [ 0001 ]的dM/dT曲线。插图显示了dM/dT与T的关系图 在一定的磁场下，通过改变测试温度，能够获得样品的磁化强度随温度的变化(M-T)曲线，通过该曲线，可以推算得到样品的居里温度。进一步，可以比较零场冷却(Zero-field-cooled， ZFC)和加场冷却(Field-cooled， FC)过程中的磁化强度变化行为。如果在零场下，有居里温度以上降温至低温处，然后施加一外磁场升温测量磁化强度，这样得到的结果为零场冷却磁化强度，或称为ZFC磁化强度。在温度远高于居里温度时施加一外磁场，然后保持磁场恒定降温至最低温度。仍保持外场不变，升温的同时测量磁化强度。由此得到磁化强度随温度的变化曲线，称之为加场冷却磁化强度，即FC磁化强度。首先把薄膜按照薄膜平面和磁场方向相平行，并且使得磁场方向和样品上的沟道平行进行测试。图4(a) 显示了按照样品与磁场这样的关系在1000 Oe的磁场下测量的LSMO的磁化强度与温度的关系。在图上可以观察到在380 K至340 K，随着温度降低磁化强度几乎保持不变，对应于PM状态。在T < 340 K，ZFC和FC曲线都表现出从PM到FM的急剧磁转变。居里温度通常由dM/dT曲线的最小值定义。在图4(a)的插图中，居里温度，ZFC确定为296 K，FC确定为296 K。第二次测试，把同一个样品按照薄膜平面和磁场方向平行，并且使得磁场方向和样品上的沟道垂直进行测试。从图4(b)可以观察到明显的FM-PM转变。ZFC和FC的居里温度分别为299 K和303 K。我们把图4(a)、图4(b)中的插图放到一起比较如图4(c)，看到磁场方向平行于Al 2 O 3 [11-20]和平行于Al 2 O 3 [ 0001 ]的dM/dT曲线最小值确实有差别。在重构的蓝宝石(10-10)基片上生长的LSMO薄膜确实存在着磁性的各向异性。同样我们也做了对照实验。使用同样的生长参数在没有重构的蓝宝石衬底(10-10)上生长LSMO薄膜，使用同样的方法测试，图5显示了在1000 Oe的磁场下测量的LSMO的磁化强度与温度的关系，图5(a)、图5(b)中可以看出ZFC和FC曲线都表现出从PM到FM的急剧磁转变。图5(a)、图5(b)的插图中，由dM/dT曲线的最小值可以得到平行于沟道方向上测试的ZFC和FC的居里温度分别是301 K和296 K。垂直于沟道方向上测试的ZFC和FC的居里温度分别是301 K和296 K。所以在没有重构的蓝宝石表面生长的LSMO薄膜在薄膜平面和磁场方向相平行时的磁性没有各向异性。在图4中，温度在315 K左右有一个跳变，在图5中，温度在280 K左右有同样的一个跳变，是由于LSMO发生了相分离。进一步证明了，在重构的蓝宝石(10-10)基片上生长的LSMO薄膜在薄膜平面和磁场方向相平行时确实存在着磁性的各向异性。 图5. (a) 磁场方向平行于Al 2 O 3 [11-20]的ZFC、FC曲线；(b) 磁场方向平行于Al 2 O 3 [ 0001 ]的ZFC、FC曲线；(c) 磁场方向平行于Al 2 O 3 [11-20]和平行于Al 2 O 3 [ 0001 ]的dM/dT曲线。插图显示了dM/dT与T的关系图 我们除了测试M-T曲线外还测试了低温下的M-H曲线，图6是测试的LSMO薄膜在100K的低温下的等温磁化强度曲线，并且我们测试了磁场方向垂直于薄膜平面和磁场方向平行于薄膜平面两种情况，两种情况下LSMO薄膜都表现出了明显的铁磁性行为。左上角的插图是低磁场的磁化过程，黑色曲线和红色曲线都是磁场方向和薄膜平面平行，区别在于黑色曲线是磁场方向平行于样品[11-20]方向，红色曲线是磁场方向平行于样品[ 0001 ]方向。对于磁场方向平行于薄膜平面的情况，也就是黑色曲线和红色曲线，磁场强度很小的时候，磁化强度随着磁场强度的增加迅速增加，表现为铁磁性行为，而磁场方向垂直于薄膜平面的情况，也就是蓝色曲线，在磁场强度很小的时候，磁化强度随磁场强度的增加增长的缓慢，类似于顺磁性行为。这个结果也说明了LSMO薄膜的易磁化方向在平面内。从图中蓝色曲线可以看出当磁场增大到10，000 Oe时，铁磁耦合的自旋磁矩方向从薄膜平面内旋转到了薄膜平面外。右下角的插图是低磁场范围的磁滞回线，在磁场方向平行于样品平面时可以看到都表现出铁磁性行为，但是黑色曲线比红色曲线的铁磁性好，也就是磁场平行于样品[11-20]方向比磁场平行于样品[ 0001 ]方向的磁性好，而在磁场垂直于薄膜平面时并没有表现出任何的铁磁性性质，这个现象说明了在低磁场内，在薄膜平面方向上LSMO薄膜是铁磁性上的。综上，关于温度和磁场大小的磁化强度曲线都证明了在重构的蓝宝石基片上生长的LSMO薄膜在磁场方向与薄膜平面平行和垂直两种情况下表现出了不同的磁性行为，并且在磁场方向平行于薄膜样品的两种情况下也表现出了不同的磁性行为，基片沟道对薄膜的磁性有调控作用。 图6. 在100 K下测量的LSMO薄膜的等温磁化强度；右下方插图显示放大低场区域的磁滞回线