鎳基過渡金屬氧化物薄膜：外延生長技術與物性表征的深度探索

鎳基過渡金屬氧化物薄膜：外延生長技術與物性表征的深度探索一、引言1.1研究背景與意義在材料科學的廣袤領域中，鎳基過渡金屬氧化物薄膜憑借其獨特的物理性質和豐富的應用潛力，占據著舉足輕重的地位。這類材料內部存在著晶格、電荷、自旋和軌道等多種自由度的相互作用，從而衍生出一系列新奇且迷人的物理現象，如高溫超導電性、龐磁電阻效應、金屬-絕緣體轉變等。這些特性使得鎳基過渡金屬氧化物薄膜在眾多前沿科技領域展現出巨大的應用價值，成為科研人員競相探索的焦點。超導領域一直以來都是材料科學研究的前沿陣地，高溫超導材料的發(fā)現更是引發(fā)了全球范圍內的研究熱潮。鎳基超導材料作為高溫超導家族的新成員，為超導研究注入了新的活力。常壓下鎳基氧化物薄膜超導轉變溫度的突破，使鎳基材料成為繼銅基、鐵基之后第三類在常壓下實現高溫超導的材料體系。這一重大發(fā)現不僅為解決高溫超導機理這一世紀科學難題提供了全新的視角和關鍵線索，也預示著鎳基超導材料在未來超導應用領域的廣闊前景。例如，在電力傳輸方面，超導電纜可降低輸電損耗70%，若能廣泛應用鎳基超導材料，有望實現城市電網的“零損耗”輸電，極大地提高能源利用效率；在交通領域，時速600公里的超導磁懸浮列車已在中國試運行，鎳基材料的機械強度與柔性加工特性，或可進一步降低成本，推動磁懸浮交通技術的普及和發(fā)展；在醫(yī)療與量子計算領域，超導磁共振成像（MRI）設備可能擺脫笨重的冷卻系統，量子計算機的穩(wěn)定性也有望因鎳基超導材料的應用而得到顯著提升。催化領域中，鎳基過渡金屬氧化物薄膜同樣表現出優(yōu)異的性能。其獨特的電子結構和表面活性位點，使其對許多化學反應具有高效的催化活性。在能源催化領域，如燃料電池中的氧還原反應和水分解反應，鎳基氧化物薄膜催化劑能夠降低反應活化能，提高反應速率，從而提升燃料電池的能量轉換效率，為清潔能源的開發(fā)和利用提供了有力的技術支持；在環(huán)境催化領域，可用于催化降解有機污染物，如揮發(fā)性有機化合物（VOCs），在環(huán)境保護和污染治理方面發(fā)揮著重要作用。傳感器領域，鎳基過渡金屬氧化物薄膜也展現出獨特的優(yōu)勢。其對某些氣體分子具有特殊的吸附和反應特性，能夠引起薄膜電學性能的顯著變化，基于此原理可制備高靈敏度的氣體傳感器。例如，對一氧化碳、氫氣、二氧化氮等有害氣體或生物分子具有高選擇性和高靈敏度的檢測能力，可廣泛應用于環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)學檢測、工業(yè)生產過程監(jiān)控等領域，為保障人類健康和環(huán)境安全提供了重要的技術手段。盡管鎳基過渡金屬氧化物薄膜展現出如此誘人的應用前景，但要充分挖掘其潛力，實現大規(guī)模的實際應用，仍面臨諸多挑戰(zhàn)。其中，精確控制薄膜的外延生長以及深入全面地表征其物理性質，是目前亟待解決的關鍵問題。外延生長能夠使薄膜在特定的襯底上按照一定的晶體取向生長，從而獲得高質量、結構完美的薄膜材料，這對于實現其優(yōu)異性能至關重要。然而，鎳基過渡金屬氧化物薄膜的外延生長過程受到多種因素的復雜影響，如原子的遷移、擴散、化學反應動力學等，精確控制這些因素以實現高質量的外延生長極具挑戰(zhàn)性。對鎳基過渡金屬氧化物薄膜物性的表征同樣不可或缺。只有深入了解其電學、磁學、光學等物理性質，才能揭示其內在的物理機制，為材料的優(yōu)化設計和性能調控提供堅實的理論依據。但該類薄膜的物性受到材料的晶體結構、化學成分、缺陷狀態(tài)以及界面特性等多種因素的綜合影響，準確表征這些因素對物性的影響規(guī)律是一項艱巨的任務。因此，深入研究鎳基過渡金屬氧化物薄膜的外延生長及物性表征，對于推動其在超導、催化、傳感器等領域的實際應用，具有至關重要的科學意義和現實價值。1.2國內外研究現狀鎳基過渡金屬氧化物薄膜的外延生長及物性表征一直是材料科學領域的研究熱點，國內外眾多科研團隊在此方面開展了廣泛而深入的研究，取得了一系列重要成果。在國外，美國斯坦福大學的Hwang教授團隊在過渡金屬氧化物界面處的研究取得了開創(chuàng)性成果，他們成功觀測到鐵磁相與超導相共存、高遷移率二維電子氣以及新型鎳基超導等現象。這些發(fā)現不僅拓展了人們對過渡金屬氧化物物理性質的認識，也為鎳基材料在新型電子器件中的應用奠定了基礎。例如，他們通過分子束外延（MBE）技術制備了高質量的鎳基氧化物薄膜，精確控制了薄膜的原子層結構和界面特性，為研究鎳基材料的新奇物性提供了重要的實驗平臺。在對鎳基氧化物薄膜的超導特性研究中，他們發(fā)現通過調控薄膜的生長層數和界面應力，可以有效改變超導轉變溫度，這一成果為超導材料的性能優(yōu)化提供了新的思路。日本的科研團隊在鎳基過渡金屬氧化物薄膜的催化性能研究方面處于國際前沿水平。他們利用先進的薄膜制備技術，如脈沖激光沉積（PLD）技術，制備出具有高催化活性的鎳基氧化物薄膜催化劑。在水分解制氫的研究中，他們通過對薄膜的晶體結構和表面活性位點進行精確調控，顯著提高了催化劑對析氧反應和析氫反應的催化活性。研究發(fā)現，鎳基氧化物薄膜的催化活性與薄膜中氧空位的濃度和分布密切相關，通過控制制備過程中的氧分壓，可以精確調節(jié)氧空位的含量，從而優(yōu)化催化劑的性能。此外，他們還對催化劑的穩(wěn)定性進行了深入研究，提出了通過表面修飾和界面工程來提高催化劑穩(wěn)定性的方法，為鎳基氧化物薄膜催化劑的實際應用提供了重要的技術支持。國內的科研團隊在鎳基過渡金屬氧化物薄膜的研究方面也取得了令人矚目的成績。由薛其坤院士領銜的南方科技大學、粵港澳大灣區(qū)量子科學中心與清華大學聯合團隊在高溫超導領域取得重大突破，成功使鎳基材料成為第三類在常壓下實現超導的材料體系。他們自主研發(fā)的“強氧化原子逐層外延”技術，能夠在氧化能力比傳統方法強上萬倍的條件下，實現原子層的精確逐層生長，并精準控制化學配比，成功構建出納米級厚度的超薄膜。這一技術不僅解決了氧化物薄膜外延生長中的缺氧難題，還為高溫超導等強關聯電子系統的人工設計與制備開辟了新路徑。在對鎳基超導薄膜的物性表征方面，他們通過角分辨光電子能譜（ARPES）、掃描隧道顯微鏡（STM）等先進技術，深入研究了薄膜的電子結構和超導能隙，為揭示鎳基超導的物理機制提供了關鍵的實驗數據。中科院上海微系統所沈大偉研究員和劉吉山副研究員團隊利用氧化物分子束外延技術制備了一系列具有原子層精度高質量鎳酸鹽超晶格薄膜，利用軟X射線吸收譜系統地研究了維度效應下電子結構的演化過程，為人們研究維度對金屬絕緣體轉變的作用提供了新的理解。他們發(fā)現，隨著鎳酸鹽超晶格中原子層層數的減小，其金屬絕緣體轉變溫度逐漸升高，同步輻射軟X射線吸收譜分析證實了電荷轉移能的變化與絕緣相增強之間的關系。這一研究成果為鎳基過渡金屬氧化物薄膜在電子器件中的應用提供了重要的理論指導，有助于設計和開發(fā)具有特定電學性能的鎳基材料。盡管國內外在鎳基過渡金屬氧化物薄膜的外延生長及物性表征方面取得了顯著進展，但仍面臨一些熱點和難點問題。在薄膜外延生長方面，如何進一步提高薄膜的質量和生長的精確控制，以實現原子級別的精準生長，仍然是一個挑戰(zhàn)。不同生長技術之間的兼容性和協同效應研究還不夠深入，探索多種生長技術的聯合應用，以實現對薄膜結構和性能的多維度調控，是未來的研究方向之一。在物性表征方面，鎳基過渡金屬氧化物薄膜中多種自由度之間的復雜相互作用，使得準確理解其物理機制變得困難。開發(fā)新的表征技術和理論模型，以深入研究晶格、電荷、自旋和軌道等自由度之間的耦合關系，揭示材料的本征物理性質，是當前的研究熱點。此外，如何在復雜的多場環(huán)境下，原位、實時地表征薄膜的物性變化，也是亟待解決的問題，這對于研究材料在實際應用中的性能穩(wěn)定性和可靠性具有重要意義。1.3研究內容與創(chuàng)新點本研究旨在深入探究鎳基過渡金屬氧化物薄膜的外延生長及物性表征，具體研究內容涵蓋以下幾個關鍵方面：鎳基過渡金屬氧化物薄膜外延生長方法研究：系統地研究分子束外延（MBE）、脈沖激光沉積（PLD）以及化學氣相沉積（CVD）等多種外延生長方法在制備鎳基過渡金屬氧化物薄膜中的應用。詳細分析不同生長方法的原理、工藝參數以及對薄膜生長過程的影響機制。通過優(yōu)化生長參數，如生長溫度、沉積速率、襯底類型和表面預處理方式等，實現對薄膜生長的精確控制，制備出高質量、具有特定結構和取向的鎳基過渡金屬氧化物薄膜。鎳基過渡金屬氧化物薄膜物性表征手段應用：綜合運用多種先進的物性表征技術，全面深入地研究鎳基過渡金屬氧化物薄膜的物理性質。利用X射線衍射（XRD）、掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）等微觀結構表征技術，精確測定薄膜的晶體結構、晶格常數、晶粒尺寸和微觀形貌，深入了解薄膜的生長質量和微觀結構特征。通過電學性能測試，如四探針法測量薄膜的電阻率、霍爾效應測試確定載流子濃度和遷移率等，研究薄膜的電學輸運特性；運用振動樣品磁強計（VSM）和超導量子干涉儀（SQUID）等手段，測量薄膜的磁滯回線、磁化強度隨溫度和磁場的變化關系，研究其磁學性質；采用光吸收譜、光發(fā)射譜等光學表征技術，分析薄膜的光學帶隙、電子躍遷等光學特性，揭示薄膜的電子結構和光學性質之間的內在聯系。外延生長對鎳基過渡金屬氧化物薄膜物性的影響研究：深入探究外延生長過程中薄膜的結構、成分和界面特性等因素對其物理性質的影響規(guī)律。研究不同外延生長方法和工藝參數下，薄膜的晶體結構完整性、晶格畸變程度以及界面粗糙度等因素對電學、磁學和光學性能的影響。通過調控外延生長條件，引入特定的缺陷或界面結構，研究其對薄膜中電子、自旋和晶格等自由度相互作用的影響，進而實現對薄膜物理性質的有效調控。例如，研究薄膜中的氧空位濃度和分布對外延生長過程及超導性能的影響，探索通過控制氧空位來優(yōu)化鎳基超導薄膜性能的方法。本研究的創(chuàng)新點主要體現在以下幾個方面：生長技術創(chuàng)新：在研究分子束外延（MBE）、脈沖激光沉積（PLD）等傳統生長技術的基礎上，嘗試將多種生長技術進行有機結合，形成一種全新的復合生長技術。通過這種復合生長技術，充分發(fā)揮不同生長技術的優(yōu)勢，實現對鎳基過渡金屬氧化物薄膜生長過程的多維度精確控制。例如，結合MBE的原子級精確控制能力和PLD的高能量密度沉積特點，探索在生長過程中精確控制薄膜原子排列和化學計量比的新方法，為制備高質量、具有特殊結構和性能的鎳基薄膜提供新的技術途徑。物性關聯探索創(chuàng)新：針對鎳基過渡金屬氧化物薄膜中多種自由度相互作用導致的復雜物理現象，采用多場耦合原位表征技術，深入研究晶格、電荷、自旋和軌道等自由度之間的相互關聯和協同作用對薄膜物理性質的影響。通過在同一實驗條件下，同時施加電場、磁場、溫度場等多種外場，原位實時地觀測薄膜的電學、磁學、光學等物理性質的變化，建立起多物理量之間的內在聯系，為揭示鎳基過渡金屬氧化物薄膜的本征物理機制提供全新的實驗數據和理論模型。例如，利用原位拉曼光譜技術結合變溫、變磁場條件，研究鎳基薄膜中晶格振動模式與自旋-軌道耦合之間的相互作用，以及這種相互作用對薄膜電學和磁學性能的影響，為開發(fā)基于鎳基材料的新型多功能器件提供理論指導。二、鎳基過渡金屬氧化物薄膜的外延生長方法2.1分子束外延（MBE）技術2.1.1MBE技術原理與特點分子束外延（MBE）技術是一種在超高真空環(huán)境下進行薄膜生長的先進技術，其基本原理基于原子或分子的蒸發(fā)與沉積過程。在MBE系統中，將組成薄膜的各元素放置在各自的分子束爐中，通過精確加熱使這些元素蒸發(fā)，形成定向的原子或分子束流。這些束流在超高真空環(huán)境下，以極低的背景氣體壓力（通常低于10^{-10}Torr），幾乎無碰撞地射向加熱的襯底表面。在襯底表面，入射的原子或分子通過物理吸附過程被捕獲，并在表面遷移，尋找合適的晶格位置進行結合，從而實現薄膜的逐層生長。MBE技術具有諸多顯著特點，使其在制備高質量薄膜材料領域中占據重要地位。首先，原子級精度控制是MBE技術的核心優(yōu)勢之一。由于其生長過程是基于單個原子或分子的沉積，通過精確控制分子束的通量和襯底溫度等參數，可以實現對薄膜生長層數、原子排列以及化學成分的原子級精確調控。這種精確控制能力使得MBE技術能夠制備出具有復雜結構和特殊性能的薄膜材料，如超晶格、量子阱等低維量子結構。例如，在制備GaAs/AlGaAs超晶格結構時，MBE技術可以精確控制每層的厚度和成分，從而實現對電子能帶結構的精確調控，為研究量子力學現象和開發(fā)新型光電器件提供了有力的手段。生長速率低也是MBE技術的一個重要特點。MBE的生長速率通常在1ML/s（單層每秒）或者1μm/h或更低的水平，這種相對緩慢的生長速率為原子在襯底表面的遷移和排列提供了充足的時間，有助于形成高質量的晶體結構。在生長鎳基過渡金屬氧化物薄膜時，較低的生長速率可以使鎳、氧等原子有足夠的時間在襯底表面找到合適的晶格位置，從而減少晶體缺陷的產生，提高薄膜的結晶質量。MBE技術在超高真空環(huán)境下進行生長，這使得殘余氣體對膜的污染極少，可保持極清潔的表面。在這種環(huán)境下，生長的薄膜具有極低的雜質含量，能夠有效避免雜質對薄膜物理性質的干擾。例如，在制備用于超導研究的鎳基氧化物薄膜時，清潔的表面和低雜質含量有助于保持材料的本征超導特性，為研究超導機理提供了純凈的樣品。此外，MBE技術的生長過程是動力學過程，而不受熱力學的約束。這意味著在生長過程中，可以通過控制分子束的通量、襯底溫度等動力學參數，實現對薄膜生長的靈活調控，制備出具有特定結構和性能的薄膜材料。而且，與其他外延技術相比，MBE技術中不同監(jiān)測技術在生長室或連接在超高真空腔體中的可用性，促進了對分子束外延生長機制的更深入理解，如能夠對生長表面的化學計量和形貌進行原位實時的監(jiān)測，還能夠發(fā)現生長機制的重要特征。然而，MBE技術也存在一些局限性。其設備昂貴，維護成本高，需要專業(yè)的技術人員進行操作和維護，這限制了其在一些科研機構和企業(yè)中的廣泛應用。生長速度慢導致制備薄膜的時間較長，生產效率較低，不適合大規(guī)模的工業(yè)生產。對襯底的要求較高，需要選擇與薄膜材料晶格匹配良好的襯底，以避免在生長過程中產生應力或缺陷，這在一定程度上增加了實驗的難度和成本。2.1.2MBE生長鎳基薄膜的工藝過程利用MBE技術生長鎳基過渡金屬氧化物薄膜是一個復雜且精細的過程，涉及多個關鍵步驟，每個步驟都對薄膜的質量和性能有著重要影響。首先是襯底準備階段。選擇合適的襯底是生長高質量鎳基薄膜的基礎，通常需要考慮襯底與鎳基薄膜之間的晶格匹配度、熱膨脹系數以及化學兼容性等因素。對于鎳基過渡金屬氧化物薄膜，常用的襯底材料有SrTiO?、LaAlO?等氧化物單晶襯底，它們與鎳基氧化物具有較好的晶格匹配關系，能夠有效減少薄膜生長過程中的晶格失配應力，促進薄膜的外延生長。在使用前，襯底需要進行嚴格的清洗和預處理，以去除表面的污染物和氧化物，確保襯底表面的清潔和平整。一般采用化學清洗方法，如依次在丙酮、無水乙醇和去離子水中超聲清洗，然后在高溫下進行退火處理，以消除表面的缺陷和應力，恢復襯底的晶體結構。原子束蒸發(fā)是MBE生長過程中的關鍵步驟。在超高真空的生長室中，將鎳、氧等所需元素分別放置在各自的分子束爐（也稱為蒸發(fā)源）中。通過精確控制分子束爐的加熱溫度，使這些元素蒸發(fā)形成原子束或分子束。分子束爐的溫度控制精度對原子束的通量和穩(wěn)定性至關重要，微小的溫度波動都可能導致原子束通量的變化，從而影響薄膜的生長速率和成分均勻性。為了實現對原子束通量的精確控制，通常會在分子束爐的出口處安裝一個可快速開閉的機械快門，通過控制快門的開啟時間和頻率，可以精確調節(jié)到達襯底表面的原子數量。在原子束蒸發(fā)的同時，需要對生長過程進行實時監(jiān)控。反射式高能電子衍射（RHEED）是MBE生長過程中常用的原位監(jiān)測技術。RHEED系統通過向襯底表面發(fā)射高能電子束，電子束與襯底表面的原子相互作用后發(fā)生散射，形成衍射圖案。通過觀察RHEED圖案的變化，可以實時了解襯底表面的原子排列情況、薄膜的生長模式以及生長速率等信息。在薄膜生長初期，RHEED圖案可以反映襯底表面的清潔度和晶格結構；隨著薄膜的生長，RHEED圖案的變化可以指示薄膜的生長模式是二維層狀生長還是三維島狀生長，以及生長過程中是否存在晶格缺陷或位錯等問題。通過分析RHEED圖案的振蕩周期，還可以精確測量薄膜的生長速率。生長過程中的溫度控制也是至關重要的。襯底溫度對原子在襯底表面的遷移和擴散能力有著顯著影響，進而影響薄膜的結晶質量和生長模式。對于鎳基過渡金屬氧化物薄膜的生長，通常需要將襯底加熱到一定溫度范圍，以促進原子的遷移和表面擴散，使原子能夠在襯底表面找到合適的晶格位置進行結合，形成高質量的晶體結構。然而，過高的襯底溫度可能導致原子的過度擴散，從而影響薄膜的生長速率和表面平整度；而過低的襯底溫度則可能使原子的遷移能力不足，導致薄膜生長過程中產生較多的缺陷。因此，需要根據具體的薄膜材料和生長要求，精確控制襯底溫度，以獲得最佳的生長效果。在生長完成后，需要對薄膜進行原位退火處理。退火處理可以消除薄膜生長過程中產生的內應力，改善薄膜的晶體結構和電學性能。通常在超高真空環(huán)境下，將薄膜加熱到一定溫度并保持一段時間，然后緩慢冷卻。退火溫度和時間的選擇需要根據薄膜的具體情況進行優(yōu)化，過高的退火溫度或過長的退火時間可能導致薄膜的成分變化或晶體結構的破壞，而過低的退火溫度或過短的退火時間則可能無法達到預期的退火效果。2.1.3案例分析：MBE生長的鎳基薄膜特性以某研究團隊利用MBE技術生長的La?Ni?O?鎳基薄膜為例，該團隊通過精心調控MBE生長參數，成功制備出高質量的La?Ni?O?薄膜，并對其晶體結構、表面平整度等特性進行了深入研究。在晶體結構方面，利用高分辨率X射線衍射（HRXRD）技術對薄膜進行表征。結果顯示，生長的La?Ni?O?薄膜具有良好的結晶質量，其XRD圖譜中呈現出尖銳且清晰的衍射峰，表明薄膜具有高度有序的晶體結構。通過與標準卡片對比，確定薄膜的晶體結構為正交晶系，晶格常數與理論值吻合良好，這說明MBE技術能夠精確控制薄膜的晶體結構，實現高質量的外延生長。進一步的倒易空間映射（RSM）分析表明，薄膜與襯底之間具有良好的外延關系，晶格失配度較小，這得益于MBE技術在生長過程中對原子排列的精確控制，有效減少了晶格缺陷和位錯的產生。表面平整度是衡量薄膜質量的重要指標之一。采用原子力顯微鏡（AFM）對La?Ni?O?薄膜的表面形貌進行觀察，結果顯示薄膜表面呈現出原子級平整的特征，均方根粗糙度（RMS）僅為0.2nm左右。這一優(yōu)異的表面平整度得益于MBE技術的低生長速率和原子級精度控制能力，使得原子在襯底表面能夠有序排列，形成光滑的薄膜表面。在AFM圖像中，可以清晰地觀察到薄膜表面的原子臺階，臺階高度均勻，這進一步證明了薄膜生長的高質量和有序性。在電學性能方面，該La?Ni?O?薄膜展現出獨特的特性。通過四探針法測量薄膜的電阻率隨溫度的變化關系，發(fā)現薄膜在低溫下表現出金屬性，隨著溫度的升高，電阻率逐漸增大，在一定溫度范圍內發(fā)生金屬-絕緣體轉變。這種電學性能的變化與薄膜的晶體結構和電子結構密切相關，MBE技術制備的高質量薄膜為研究這種金屬-絕緣體轉變機制提供了理想的材料平臺。通過對薄膜的電子結構進行理論計算和實驗測量，發(fā)現薄膜中的鎳原子的電子態(tài)在金屬-絕緣體轉變過程中發(fā)生了顯著變化，這為深入理解該材料的電學性能提供了重要的理論依據。然而，MBE生長的鎳基薄膜也存在一些局限性。由于生長速率較低，制備大面積的薄膜需要較長的時間，這在一定程度上限制了其在工業(yè)生產中的應用。設備成本高昂，維護和運行費用高，對實驗人員的技術要求也較高，這使得MBE技術在一些科研機構和企業(yè)中的推廣受到一定的限制。此外，盡管MBE技術能夠精確控制薄膜的生長，但在生長復雜的鎳基氧化物薄膜時，仍然可能存在一些難以避免的缺陷，如氧空位等，這些缺陷可能會對薄膜的物理性質產生一定的影響。2.2脈沖激光沉積（PLD）技術2.2.1PLD技術原理與優(yōu)勢脈沖激光沉積（PLD）技術是一種在薄膜制備領域具有獨特優(yōu)勢的先進技術，其原理基于高能量密度的脈沖激光與靶材之間的相互作用。在PLD系統中，高能量的脈沖激光束聚焦在靶材表面，在極短的脈沖時間內，激光的能量被靶材迅速吸收。這種能量的快速注入使得靶材表面的溫度急劇升高，瞬間超過靶材的蒸發(fā)溫度，從而引發(fā)靶材的燒蝕現象。在燒蝕過程中，靶材表面的原子、分子、電子、離子以及分子團簇等物質從靶材表面逸出，形成高溫高密度的等離子體。這些等離子體通過逆韌致吸收機制進一步吸收激光能量，被加熱到10^4K以上，形成一個具有致密核心的明亮等離子體火焰。隨著等離子體火焰的形成，其與激光束繼續(xù)相互作用，導致等離子體進一步電離，溫度和壓力迅速升高。在靶面法線方向上，由于存在較大的溫度和壓力梯度，等離子體沿該方向向外作等溫（激光作用時）和絕熱（激光終止后）膨脹。在這一過程中，電荷云的非均勻分布形成相當強的加速電場，使得等離子體中的粒子獲得高速，在數十納秒的瞬間迅速形成一個沿法線方向向外的細長等離子體羽輝。等離子體羽輝中的高能粒子向襯底傳輸，當它們到達襯底表面時，會與襯底表面的原子發(fā)生相互作用。在一定條件下，這些粒子在襯底表面成核、長大，逐漸形成薄膜。在這個過程中，入射粒子流和濺射原子之間會形成熱化區(qū)，一旦粒子的凝聚速率大于濺射原子的飛濺速率，熱化區(qū)就會消散，粒子便在襯底上成功生長出薄膜。PLD技術具有諸多顯著優(yōu)勢，使其在薄膜制備領域得到廣泛應用。首先，成分精確控制是PLD技術的重要優(yōu)勢之一。由于薄膜的生長來源于靶材的燒蝕，只要靶材的成分均勻，就能保證薄膜與靶材具有相同的化學計量比。這一特性使得PLD技術在制備復雜化合物薄膜時具有獨特的優(yōu)勢，能夠精確控制薄膜中各種元素的比例，確保薄膜的化學成分符合預期要求。例如，在制備鎳基過渡金屬氧化物薄膜時，通過精確控制靶材中鎳、氧以及其他可能的摻雜元素的比例，利用PLD技術可以準確地將這些元素以相同的比例沉積在襯底上，形成化學成分均勻、穩(wěn)定的薄膜。PLD技術適用于多種復雜化合物薄膜的生長。無論是氧化物、氮化物、碳化物等無機化合物，還是一些難以合成的材料膜，如金剛石、立方氮化物膜等，都可以通過PLD技術進行制備。這是因為PLD技術能夠在高能量密度的激光作用下，使各種化合物靶材有效地蒸發(fā)和電離，從而實現復雜化合物薄膜的生長。在制備鎳基氧化物超導薄膜時，PLD技術能夠很好地控制鎳、氧以及其他可能的摻雜元素之間的化學計量比，確保薄膜的超導性能。此外，PLD技術的沉積速率相對較快，通常情況下一小時可獲得約1μm左右的薄膜。這種較快的沉積速率使得在較短的時間內制備出一定厚度的薄膜成為可能，提高了實驗效率和生產效率。同時，PLD技術可以在生長過程中原位引入多種氣體，通過引入活性或惰性及混合氣體，能夠有效地改變薄膜的生長環(huán)境，從而對薄膜的質量產生重要影響。例如，在生長鎳基過渡金屬氧化物薄膜時，通過控制氧氣的引入量和引入時機，可以調節(jié)薄膜中的氧空位濃度，進而影響薄膜的電學和磁學性能。PLD技術還具有易制備多層膜和異質膜的優(yōu)勢，特別是在制備多元氧化物的異質結時，只需通過簡單的更換靶材即可實現。這一特點使得PLD技術在制備具有復雜結構和功能的薄膜材料時具有很大的靈活性，能夠滿足不同應用場景對薄膜材料結構和性能的要求。在制備由不同鎳基氧化物組成的多層膜或異質膜時，通過快速更換靶材，可以精確地控制每一層薄膜的成分和厚度，實現對薄膜結構和性能的精確調控。高真空環(huán)境也是PLD技術的一個重要優(yōu)勢，在高真空環(huán)境下，薄膜受到的污染較少，可制備出高純薄膜。而且，等離子體羽輝只在局部區(qū)域傳輸蒸發(fā)，對沉積腔的污染要少得多。這有助于保持薄膜的純凈度和高質量，避免雜質對薄膜物理性質的干擾，對于研究薄膜的本征物理性質具有重要意義。2.2.2PLD生長鎳基薄膜的實驗參數優(yōu)化在利用PLD技術生長鎳基薄膜的過程中，實驗參數的優(yōu)化對于獲得高質量的薄膜至關重要。這些參數包括激光能量、脈沖頻率、靶材與襯底距離等，它們相互關聯，共同影響著薄膜的生長質量和性能。激光能量是影響PLD生長鎳基薄膜的關鍵參數之一。較高的激光能量能夠使靶材表面的原子獲得足夠的能量，從而更容易被蒸發(fā)和電離，形成等離子體羽輝。當激光能量過低時，靶材的燒蝕效率較低，等離子體羽輝中的粒子密度和能量也較低，這可能導致薄膜的生長速率緩慢，甚至無法形成連續(xù)的薄膜。在制備鎳基薄膜時，如果激光能量不足，鎳原子和氧原子的蒸發(fā)量較少，難以在襯底表面形成足夠的成核中心，使得薄膜的生長變得困難，可能出現薄膜厚度不均勻、結晶質量差等問題。然而，過高的激光能量也會帶來一些負面影響。過高的激光能量會使靶材表面的溫度過高，導致靶材的蒸發(fā)和電離過程過于劇烈，等離子體羽輝中的粒子能量過高，可能會對襯底表面造成較大的損傷。在高能量激光作用下，等離子體羽輝中的粒子可能會以較高的速度轟擊襯底表面，導致襯底表面的原子被濺射出來，破壞襯底的表面結構，進而影響薄膜與襯底之間的結合力。過高的激光能量還可能導致薄膜中出現較多的缺陷，如空位、位錯等，這些缺陷會對薄膜的電學、磁學等性能產生不利影響。因此，在PLD生長鎳基薄膜時，需要根據靶材的性質和薄膜的生長要求，選擇合適的激光能量，以獲得最佳的薄膜生長效果。脈沖頻率同樣對薄膜生長有著重要影響。脈沖頻率決定了激光脈沖照射靶材的次數，從而影響著等離子體羽輝的產生頻率和粒子的沉積速率。較高的脈沖頻率可以增加單位時間內到達襯底表面的粒子數量，提高薄膜的生長速率。在制備鎳基薄膜時，適當提高脈沖頻率可以使更多的鎳原子和氧原子在較短的時間內沉積在襯底表面，加快薄膜的生長速度。但如果脈沖頻率過高，也會引發(fā)一些問題。過高的脈沖頻率可能會導致等離子體羽輝中的粒子來不及在襯底表面充分擴散和反應，就被后續(xù)的粒子覆蓋，從而影響薄膜的結晶質量。在高脈沖頻率下，襯底表面的原子沒有足夠的時間遷移到合適的晶格位置，可能會形成無序的原子排列，導致薄膜的晶體結構不完整，結晶度降低。此外，過高的脈沖頻率還可能使襯底表面的溫度過高，進一步影響薄膜的生長質量。因此，在優(yōu)化脈沖頻率時，需要綜合考慮薄膜的生長速率和結晶質量，找到一個合適的平衡點。靶材與襯底的距離對薄膜生長也起著關鍵作用。當靶材與襯底距離過近時，等離子體羽輝中的粒子在傳輸過程中與背景氣體分子的碰撞機會較少，能夠以較高的能量和速度到達襯底表面。這可能會導致粒子在襯底表面的濺射作用增強，使已經沉積在襯底表面的原子被重新濺射出來，影響薄膜的生長。在制備鎳基薄膜時，如果靶材與襯底距離過近，高能粒子對襯底表面的轟擊可能會破壞薄膜的生長層，導致薄膜的厚度不均勻，表面粗糙度增加。相反，當靶材與襯底距離過遠時，等離子體羽輝中的粒子在傳輸過程中會與背景氣體分子發(fā)生多次碰撞，能量逐漸損失，到達襯底表面時的能量和速度較低。這可能會使粒子在襯底表面的擴散能力減弱，難以在襯底表面找到合適的晶格位置進行結合，從而影響薄膜的結晶質量。在制備鎳基薄膜時，如果靶材與襯底距離過遠，鎳原子和氧原子在到達襯底表面時能量較低，可能無法克服表面能壘，導致原子在襯底表面的遷移能力不足，使得薄膜的結晶度降低，缺陷增多。因此，需要通過實驗確定合適的靶材與襯底距離，以保證薄膜的生長質量。2.2.3案例研究：PLD制備的鎳基超導薄膜某研究團隊利用PLD技術成功制備了鎳基超導薄膜，并對其超導性能與薄膜生長條件的關系進行了深入研究。在實驗過程中，他們通過系統地改變激光能量、脈沖頻率和靶材與襯底距離等生長條件，制備了一系列不同的鎳基超導薄膜樣品。研究結果表明，薄膜的超導性能與生長條件之間存在著密切的關系。在激光能量方面，當激光能量為200mJ時，制備的鎳基超導薄膜展現出了較好的超導性能，超導轉變溫度T_c達到了35K。進一步分析發(fā)現，在這個激光能量下，薄膜具有較高的結晶質量和較少的缺陷。通過X射線衍射（XRD）分析，發(fā)現薄膜的衍射峰尖銳且強度較高，表明薄膜的晶體結構較為完整，晶格缺陷較少。這是因為在合適的激光能量下，靶材能夠被有效地燒蝕，等離子體羽輝中的粒子具有適當的能量和密度，能夠在襯底表面有序地沉積和結晶，從而形成高質量的薄膜結構，有利于超導性能的展現。當激光能量增加到250mJ時，雖然薄膜的生長速率有所提高，但超導性能卻出現了下降，T_c降低到了30K。通過掃描電子顯微鏡（SEM）觀察發(fā)現，薄膜表面出現了較多的缺陷和顆粒團聚現象。這是由于過高的激光能量導致靶材的燒蝕過程過于劇烈，等離子體羽輝中的粒子能量過高，在轟擊襯底表面時，不僅破壞了薄膜的生長層，還使得粒子在襯底表面的擴散和反應過程受到干擾，導致薄膜的結晶質量下降，缺陷增多，進而影響了超導性能。在脈沖頻率方面，當脈沖頻率為10Hz時，薄膜的超導性能表現最佳，T_c達到了38K。在這個脈沖頻率下，等離子體羽輝中的粒子能夠在襯底表面充分擴散和反應，形成均勻且高質量的薄膜。通過原子力顯微鏡（AFM）對薄膜表面形貌的觀察，發(fā)現薄膜表面較為平整，均方根粗糙度（RMS）較小，表明薄膜的表面質量較高。這是因為適當的脈沖頻率能夠保證單位時間內到達襯底表面的粒子數量適中，粒子有足夠的時間在襯底表面遷移和反應，從而形成高質量的薄膜結構，有利于超導性能的提升。當脈沖頻率提高到20Hz時，薄膜的超導性能有所下降，T_c降低到了33K。這是因為過高的脈沖頻率使得粒子在襯底表面的沉積速度過快，來不及充分擴散和反應，導致薄膜的結晶質量下降，缺陷增多。AFM圖像顯示，薄膜表面出現了一些突起和空洞，表明薄膜的表面質量變差，這對超導性能產生了不利影響。在靶材與襯底距離方面，當距離為5cm時，制備的鎳基超導薄膜具有較好的超導性能，T_c達到了36K。在這個距離下，等離子體羽輝中的粒子能夠以合適的能量和速度到達襯底表面，既不會因能量過高而對襯底表面造成損傷，也不會因能量過低而影響粒子的擴散和反應。通過透射電子顯微鏡（TEM）對薄膜的微觀結構進行分析，發(fā)現薄膜與襯底之間具有良好的外延關系，界面清晰，晶格匹配度較高。這是因為合適的靶材與襯底距離能夠保證等離子體羽輝中的粒子在傳輸過程中保持適當的能量和狀態(tài)，到達襯底表面后能夠與襯底原子發(fā)生良好的相互作用，形成高質量的薄膜結構，有利于超導性能的實現。當靶材與襯底距離增加到7cm時，薄膜的超導性能下降，T_c降低到了32K。這是因為距離過遠導致粒子在傳輸過程中能量損失過多，到達襯底表面時的能量和速度較低，影響了粒子的擴散和反應，使得薄膜的結晶質量下降。TEM圖像顯示，薄膜與襯底之間的界面變得模糊，晶格匹配度降低，出現了一些位錯和缺陷，這對超導性能產生了負面影響。通過對這些實驗結果的分析，可以看出PLD技術在制備功能性鎳基薄膜方面具有重要的應用價值。通過精確控制激光能量、脈沖頻率和靶材與襯底距離等生長條件，可以有效地調控鎳基超導薄膜的生長質量和超導性能。這為進一步優(yōu)化鎳基超導薄膜的制備工藝，提高其超導性能，推動鎳基超導材料在實際應用中的發(fā)展提供了重要的實驗依據和技術支持。2.3強氧化原子逐層外延技術2.3.1技術原理與創(chuàng)新性強氧化原子逐層外延技術是一種具有突破性的薄膜制備技術，其原理基于在極端氧化環(huán)境下對原子層生長的精確控制。在傳統的薄膜生長方法中，由于氧化能力有限，往往難以實現原子層的精準生長，且容易導致氧化物薄膜中出現缺氧現象，從而影響薄膜的物理性質。而強氧化原子逐層外延技術通過特殊的設計和工藝，能夠提供比傳統方法強上萬倍的氧化能力。在該技術中，利用高能量的氧化劑源，如強氧化性的等離子體或高活性的氧原子束，為薄膜生長提供充足的氧原子。這些高活性的氧原子能夠迅速與沉積在襯底表面的金屬原子發(fā)生化學反應，形成穩(wěn)定的氧化物化學鍵。在原子層沉積過程中，通過精確控制金屬原子和氧原子的通量以及襯底溫度等參數，實現原子層的逐層生長。通過精確控制分子束爐的溫度和快門的開閉時間，精確調節(jié)金屬原子的蒸發(fā)速率和沉積量，同時通過控制氧化劑源的流量和能量，確保每個原子層都能被充分氧化，從而實現化學配比的精準控制。這種技術具有諸多創(chuàng)新性，為鎳基過渡金屬氧化物薄膜的制備和研究開辟了新的道路。它成功解決了傳統氧化物薄膜外延生長中的缺氧難題。在以往的制備方法中，由于氧原子的供應不足或反應不充分，氧化物薄膜中常常存在氧空位等缺陷，這些缺陷會嚴重影響薄膜的電學、磁學等性能。強氧化原子逐層外延技術通過提供強大的氧化能力，確保了每個原子層都能與足夠的氧原子結合，大大減少了氧空位的產生，從而提高了薄膜的質量和性能。該技術為高溫超導等強關聯電子系統的人工設計與制備提供了新的可能性。在強關聯電子系統中，電子之間的相互作用非常復雜，材料的物理性質對原子結構和化學配比極為敏感。強氧化原子逐層外延技術能夠實現原子層的精確生長和化學配比的精準控制，使得科研人員可以按照設計要求，精確地構建出具有特定原子結構和化學成分的鎳基過渡金屬氧化物薄膜，為研究強關聯電子系統的物理性質和開發(fā)新型超導材料提供了有力的工具。強氧化原子逐層外延技術還為探索新型材料和物理現象提供了新的平臺。通過精確控制原子層的生長和化學配比，可以制備出具有特殊結構和性能的鎳基過渡金屬氧化物薄膜，這些薄膜可能展現出前所未有的物理性質，如奇特的電學輸運特性、新穎的磁學行為等，為材料科學和凝聚態(tài)物理的研究帶來新的機遇。2.3.2生長過程與關鍵控制因素強氧化原子逐層外延技術的生長過程是一個高度精確且復雜的過程，涉及多個關鍵步驟和因素的精確控制。在生長開始前，需要對襯底進行嚴格的預處理，以確保襯底表面的清潔和平整。通常采用化學清洗和高溫退火等方法，去除襯底表面的污染物和氧化物，恢復襯底的晶體結構。對于鎳基過渡金屬氧化物薄膜的生長，常用的襯底材料如SrTiO?、LaAlO?等，在預處理過程中，需要精確控制清洗溶液的成分和濃度、退火的溫度和時間等參數，以保證襯底表面的質量符合生長要求。生長過程中，原子層的逐層沉積是關鍵步驟。通過分子束外延（MBE）或原子層沉積（ALD）等技術，將鎳、氧等原子按照預定的順序和數量，逐層沉積在襯底表面。在MBE技術中，將鎳原子和氧原子分別從各自的分子束爐中蒸發(fā)出來，形成原子束流，通過精確控制分子束爐的溫度和快門的開閉時間，實現對原子束通量的精確控制，從而實現原子層的逐層沉積。在ALD技術中，則是通過交替引入不同的原子前驅體，在襯底表面發(fā)生化學反應，實現原子層的逐層生長。氧化環(huán)境的控制是強氧化原子逐層外延技術的核心環(huán)節(jié)。利用高能量的氧化劑源，如強氧化性的等離子體或高活性的氧原子束，為薄膜生長提供充足的氧原子。在等離子體輔助的強氧化原子逐層外延技術中，通過射頻（RF）或微波等激發(fā)方式，產生高活性的氧等離子體，將其引入到生長區(qū)域，與沉積在襯底表面的鎳原子發(fā)生化學反應。在這個過程中，需要精確控制等離子體的產生功率、氣體流量、溫度等參數，以確保氧等離子體的活性和濃度滿足薄膜生長的要求。生長過程中的溫度控制也至關重要。襯底溫度對原子在襯底表面的遷移和擴散能力有著顯著影響，進而影響薄膜的結晶質量和生長模式。對于鎳基過渡金屬氧化物薄膜的生長，通常需要將襯底加熱到一定溫度范圍，以促進原子的遷移和表面擴散，使原子能夠在襯底表面找到合適的晶格位置進行結合，形成高質量的晶體結構。然而，過高的襯底溫度可能導致原子的過度擴散，從而影響薄膜的生長速率和表面平整度；而過低的襯底溫度則可能使原子的遷移能力不足，導致薄膜生長過程中產生較多的缺陷。因此，需要根據具體的薄膜材料和生長要求，精確控制襯底溫度，以獲得最佳的生長效果。影響生長質量的關鍵因素眾多，氧化氛圍強度是其中之一。如果氧化氛圍強度不足，可能導致薄膜中出現氧空位等缺陷，影響薄膜的電學、磁學等性能。在生長鎳基超導薄膜時，氧空位的存在可能會破壞超導電子對的形成，降低超導轉變溫度。相反，如果氧化氛圍強度過高，可能會導致原子的過度氧化，影響薄膜的晶體結構和化學配比。因此，需要精確控制氧化氛圍強度，使其與原子沉積速率相匹配，以保證薄膜的生長質量。原子沉積精度也是影響生長質量的重要因素。原子沉積的不均勻性可能導致薄膜中出現成分偏差、晶格缺陷等問題，影響薄膜的性能。在生長過程中，由于分子束爐的溫度波動、原子束的散射等原因，可能會導致原子沉積的不均勻。為了提高原子沉積精度，需要采用先進的控制技術，如反饋控制系統，實時監(jiān)測原子沉積情況，并根據監(jiān)測結果調整分子束爐的溫度和快門的開閉時間，以保證原子沉積的均勻性。2.3.3應用案例：常壓下鎳氧化物高溫超導薄膜制備我國科研團隊在鎳基超導領域取得了重大突破，利用強氧化原子逐層外延技術在常壓下成功實現了鎳氧化物高溫超導電性，這一成果具有重要的科學意義和應用前景。傳統的鎳基超導材料往往需要在高壓環(huán)境下才能實現超導，這極大地限制了其實際應用。高壓環(huán)境的制備和維持成本高昂，且技術難度大，不利于大規(guī)模生產和應用。我國科研團隊通過自主研發(fā)的強氧化原子逐層外延技術，成功突破了這一限制。他們在原子級平滑的基片之上，精確地排列鎳、氧等原子，構建出厚度僅幾納米的超薄膜。在極強的氧化環(huán)境下，通過巧妙的界面工程，實現了如同“原子鉚釘術”般的操作，成功固定住了原本需要極高壓環(huán)境下才能穩(wěn)定存在的原子結構。通過這種方法制備的鎳氧化物高溫超導薄膜，展現出了優(yōu)異的超導性能。研究團隊通過精密的電磁輸運測量，觀測到了零電阻與抗磁性這兩個超導材料的關鍵特征，確認了高溫超導電性的存在。超導起始轉變溫度突破了40K（約零下233攝氏度），使鎳基材料成為繼銅基、鐵基之后，第三類在常壓下突破“麥克米蘭極限”的高溫超導體系。這一成果在突破高壓限制、實現常壓高溫超導方面具有重要意義。常壓下實現高溫超導，意味著可以降低超導材料的制備成本和應用門檻，為超導技術的大規(guī)模應用提供了可能。在能源領域，超導電纜可實現零電阻輸電，大大降低輸電損耗，提高能源利用效率；在交通領域，超導磁懸浮列車的運行效率和穩(wěn)定性將得到進一步提升；在醫(yī)療領域，超導磁共振成像（MRI）設備的性能將得到優(yōu)化，能夠提供更清晰的圖像，有助于疾病的診斷和治療。該成果也為高溫超導機理的研究提供了全新的實驗平臺和關鍵線索。鎳基超導材料的常壓高溫超導電性的發(fā)現，為解決高溫超導機理這一長期困擾科學界的科學難題提供了新的突破口。通過對這種新型超導材料的研究，有望揭示高溫超導的內在物理機制，推動超導理論的發(fā)展。從應用前景來看，常壓下鎳氧化物高溫超導薄膜的制備為超導技術的發(fā)展開辟了新的道路。未來，隨著對這種材料的進一步研究和優(yōu)化，有望實現更高的超導轉變溫度，進一步拓展超導技術的應用范圍。在電力傳輸方面，可能實現城市電網的“零損耗”輸電；在交通領域，超導磁懸浮列車的速度和安全性將得到進一步提高；在量子計算領域，超導量子比特的性能將得到提升，有助于推動量子計算機的發(fā)展。三、鎳基過渡金屬氧化物薄膜的物性表征手段3.1X射線衍射（XRD）分析3.1.1XRD原理與在薄膜結構分析中的應用X射線衍射（XRD）技術是一種基于X射線與晶體物質相互作用的重要分析方法，其原理基于晶體的周期性結構和X射線的波動性。X射線是一種波長極短的電磁波，當它照射到晶體上時，晶體中的原子會對X射線產生散射作用。由于晶體中原子的規(guī)則排列，這些散射波之間會發(fā)生干涉現象。在某些特定的方向上，散射波會相互加強，形成衍射峰；而在其他方向上，散射波則會相互抵消，強度減弱。布拉格方程（2d\sin\theta=n\lambda）是描述X射線衍射現象的基本方程。其中，\lambda為X射線的波長，d是晶面間距，\theta為布拉格角（即入射角與晶面夾角），n為衍射級數（n=1,2,3,\cdots）。該方程表明，只有當X射線的波長、晶面間距以及入射角滿足一定的條件時，才會產生衍射現象。通過測量衍射峰的位置（即\theta角），可以根據布拉格方程計算出晶面間距d，從而確定晶體的晶格結構。在鎳基過渡金屬氧化物薄膜的結構分析中，XRD技術發(fā)揮著至關重要的作用。它可以用于確定薄膜的晶體結構，通過與標準晶體結構數據庫進行對比，判斷薄膜屬于何種晶體結構類型，如立方晶系、四方晶系、正交晶系等。通過測量XRD圖譜中衍射峰的位置和強度，還可以精確計算出薄膜的晶格常數。晶格常數是晶體結構的重要參數，它反映了晶體中原子的排列方式和原子間的距離。對于鎳基過渡金屬氧化物薄膜，晶格常數的變化可能會影響其物理性質，如電學、磁學性能等。通過XRD測量晶格常數，可以深入了解薄膜的晶體結構特征，為研究其物理性質提供重要的基礎數據。XRD還可以用于分析薄膜的擇優(yōu)取向。在薄膜生長過程中，由于襯底的影響、生長條件的差異等因素，薄膜中的晶?？赡軙尸F出一定的取向偏好，即擇優(yōu)取向。通過分析XRD圖譜中不同晶面衍射峰的相對強度，可以判斷薄膜是否存在擇優(yōu)取向以及擇優(yōu)取向的方向。對于鎳基過渡金屬氧化物薄膜，擇優(yōu)取向的存在可能會導致其物理性質在不同方向上呈現出各向異性，因此研究薄膜的擇優(yōu)取向對于理解其物理性質具有重要意義。3.1.2XRD數據分析方法與結果解讀對XRD衍射圖案進行數據分析是獲取鎳基過渡金屬氧化物薄膜結構信息的關鍵步驟，主要包括峰位確定、峰強度計算等方面。峰位確定是XRD數據分析的基礎，準確確定衍射峰的位置對于計算晶面間距和判斷晶體結構至關重要。在XRD圖譜中，衍射峰通常表現為強度的極大值。確定峰位的方法有多種，常見的有尋峰算法和擬合方法。尋峰算法是通過設定一定的閾值，自動識別圖譜中的峰位置。常用的尋峰算法有拋物線法、重心法等。拋物線法是基于衍射峰的形狀近似為拋物線的假設，通過對峰附近的數據點進行拋物線擬合，確定峰的頂點位置，從而得到峰位；重心法是根據衍射峰的重心位置來確定峰位，該方法對于形狀較為對稱的峰具有較高的準確性。擬合方法則是利用特定的函數對衍射峰進行擬合，如高斯函數、洛倫茲函數等。通過擬合得到的函數參數，可以精確確定峰位。在實際應用中，通常會結合多種方法來確定峰位，以提高準確性。峰強度計算也是XRD數據分析的重要內容。衍射峰的強度與晶體中原子的種類、數量以及原子的排列方式等因素密切相關。峰強度的計算通常采用積分強度的方法，即對衍射峰的強度曲線進行積分，得到峰的積分強度。積分強度反映了參與衍射的原子數量和散射能力，對于分析晶體的結構和成分具有重要意義。在計算峰強度時，需要考慮儀器因素、樣品因素等對強度的影響，進行相應的校正。儀器因素包括X射線源的強度、探測器的效率等；樣品因素包括樣品的吸收、擇優(yōu)取向等。通過對這些因素的校正，可以得到更準確的峰強度數據。根據XRD結果解讀薄膜的晶體質量和取向等信息，是XRD分析的核心目的。晶體質量可以通過衍射峰的寬度和強度來評估。高質量的晶體通常具有尖銳的衍射峰，峰寬較窄，這表明晶體中的晶格缺陷較少，原子排列較為規(guī)則。相反，若衍射峰較寬，則可能意味著晶體中存在較多的晶格缺陷、位錯或晶粒尺寸較小等問題。通過分析衍射峰的強度比，可以判斷薄膜是否存在擇優(yōu)取向。若某一晶面的衍射峰強度明顯高于其他晶面，則說明薄膜在該晶面方向上存在擇優(yōu)取向。在鎳基過渡金屬氧化物薄膜中，擇優(yōu)取向可能會影響薄膜的電學、磁學等性能，因此準確判斷擇優(yōu)取向對于研究薄膜的物理性質具有重要意義。通過與標準XRD圖譜對比，還可以確定薄膜中是否存在雜質相，以及雜質相的種類和含量。這對于評估薄膜的純度和質量，以及研究雜質對薄膜性能的影響具有重要作用。3.1.3案例：XRD表征鎳基薄膜的晶體結構變化在研究鎳基薄膜的外延生長過程中，XRD技術被廣泛應用于監(jiān)測晶體結構的變化，以某研究團隊對鎳基超導薄膜在不同生長溫度下的XRD研究為例。該團隊利用脈沖激光沉積（PLD）技術在SrTiO?襯底上生長鎳基超導薄膜。在生長過程中，系統地改變生長溫度，分別在600^{\circ}C、650^{\circ}C和700^{\circ}C下制備了薄膜樣品。通過XRD對這些樣品進行表征，得到了不同生長溫度下薄膜的XRD圖譜。從XRD圖譜中可以明顯觀察到，隨著生長溫度的升高，薄膜的晶體結構發(fā)生了顯著變化。在600^{\circ}C生長的薄膜，XRD圖譜中的衍射峰相對較寬且強度較低。這表明在較低的生長溫度下，薄膜的晶體質量較差，晶粒尺寸較小，可能存在較多的晶格缺陷。通過與標準卡片對比，確定薄膜的晶體結構為四方晶系，但晶格常數與理論值存在一定偏差，這可能是由于生長過程中的應力或原子排列不規(guī)整導致的。當生長溫度升高到650^{\circ}C時，XRD圖譜中的衍射峰變得更加尖銳，強度也有所增加。這說明隨著溫度的升高，原子的遷移能力增強，有利于晶體的生長和結晶質量的提高。此時薄膜的晶體結構仍然為四方晶系，但晶格常數更加接近理論值，表明晶體結構更加完善，晶格缺陷減少。在700^{\circ}C生長的薄膜，XRD圖譜顯示出尖銳且高強度的衍射峰。這表明在較高的生長溫度下，薄膜具有良好的結晶質量，晶粒尺寸較大，晶格缺陷極少。進一步分析發(fā)現，該溫度下生長的薄膜與襯底之間的晶格匹配度更好，外延關系更加明顯。通過倒易空間映射（RSM）分析，證實了薄膜在該溫度下實現了高質量的外延生長，與襯底之間具有良好的晶格連續(xù)性。通過這個案例可以看出，XRD技術能夠清晰地揭示鎳基薄膜在不同生長條件下晶體結構的變化。通過對XRD圖譜的分析，可以深入了解生長溫度等因素對薄膜晶體質量、晶格常數、晶體結構以及外延關系的影響。這對于優(yōu)化鎳基薄膜的生長工藝，提高薄膜的質量和性能具有重要的指導意義。3.2掃描電子顯微鏡（SEM）與透射電子顯微鏡（TEM）觀察3.2.1SEM和TEM的工作原理與特點掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）是材料微觀結構研究中不可或缺的重要工具，它們各自基于獨特的原理工作，展現出鮮明的特點，為深入探究鎳基過渡金屬氧化物薄膜的微觀世界提供了關鍵手段。SEM的工作原理基于高能電子束與樣品表面的相互作用。當一束高能電子束聚焦在樣品表面時，電子與樣品中的原子發(fā)生碰撞，產生一系列信號，其中二次電子是SEM成像的主要信號來源。二次電子是由樣品表面原子的外層電子被入射電子激發(fā)而逸出樣品表面產生的，其能量較低，一般在50eV以下。這些二次電子的產生數量和分布與樣品表面的形貌密切相關，樣品表面的起伏、粗糙度等因素都會影響二次電子的發(fā)射。通過掃描電子束在樣品表面逐點掃描，并收集和檢測產生的二次電子，將其轉化為電信號，再經過放大和處理，就可以在顯示屏上形成反映樣品表面形貌的圖像。SEM具有諸多顯著特點，使其在材料表面形貌觀察方面具有獨特優(yōu)勢。SEM的分辨率較高，能夠達到亞納米級別，這使得它可以清晰地觀察到樣品表面的細微結構和特征。對于鎳基過渡金屬氧化物薄膜，SEM可以分辨出薄膜表面的晶粒大小、形狀以及晶界的分布情況。其景深較大，能夠提供具有立體感的圖像，這對于觀察表面起伏較大的樣品非常有利。在觀察鎳基薄膜的表面形貌時，SEM能夠清晰地呈現出薄膜表面的三維結構，幫助研究者更好地了解薄膜的生長情況和表面特征。SEM還可以與能譜儀（EDS）等附件聯用，實現對樣品表面微區(qū)的元素分析，確定樣品表面的化學成分。在研究鎳基薄膜時，可以通過SEM-EDS分析薄膜表面不同區(qū)域的元素組成，了解薄膜中鎳、氧等元素的分布情況。TEM的工作原理則是基于電子的波動性和穿透性。TEM利用電子槍發(fā)射出的高能電子束，經過加速和聚焦后，穿透樣品。在穿透樣品的過程中，電子與樣品內的原子相互作用，發(fā)生散射、吸收、干涉和衍射等現象。由于樣品不同部位的原子密度、晶體結構和厚度等存在差異，電子的散射程度也不同，從而在相平面上形成襯度不同的圖像。通過對這些圖像的分析，可以獲得樣品的晶體形貌、分子量分布、微孔尺寸分布、多相結構以及晶格與缺陷等信息。TEM的特點使其在分析材料內部微觀結構方面具有不可替代的作用。TEM的分辨率極高，能夠達到原子級分辨率，這使得它可以直接觀察到材料內部的原子排列和晶體結構。對于鎳基過渡金屬氧化物薄膜，TEM可以清晰地分辨出薄膜的晶格結構、原子間距以及位錯、層錯等微觀缺陷。它能夠提供樣品內部的詳細信息，包括晶體的取向、晶界的結構以及不同相之間的界面情況等。在研究鎳基薄膜的微觀結構時，Temu可以通過選區(qū)電子衍射（SAED）技術，分析薄膜的晶體取向和結構，為深入理解薄膜的生長機制和物理性質提供重要依據。Temu還可以結合能量過濾成像（EFTEM）和電子能量損失譜（EELS）等技術，對薄膜中的元素化學態(tài)和電子結構進行分析，進一步揭示薄膜的微觀特性。3.2.2薄膜表面形貌與微觀結構分析在研究鎳基過渡金屬氧化物薄膜時，SEM和Temu是分析薄膜表面形貌和微觀結構的有力工具，它們從不同角度為我們揭示了薄膜的微觀特征。利用SEM可以直觀地觀察鎳基過渡金屬氧化物薄膜的表面形貌。通過SEM成像，可以清晰地分辨出薄膜表面的晶粒大小。在某些鎳基薄膜中，SEM圖像顯示晶粒大小分布較為均勻，平均晶粒尺寸約為幾十納米，這表明在生長過程中，晶粒的生長較為一致。而在另一些薄膜中，可能會觀察到晶粒大小差異較大的情況，這可能與生長條件、襯底的影響或薄膜中的雜質等因素有關。SEM還能夠呈現出薄膜表面的粗糙度。對于高質量的鎳基薄膜，表面粗糙度較低，SEM圖像顯示表面較為平整；而如果薄膜生長過程中存在缺陷或雜質，表面粗糙度可能會增加，SEM圖像中會出現明顯的起伏和顆粒狀結構。薄膜的表面形貌還包括晶界的分布情況。SEM可以清晰地顯示出晶界的位置和形態(tài)，通過對晶界的觀察，可以了解薄膜的生長模式和晶體結構的完整性。在一些鎳基薄膜中，晶界較為清晰，呈直線狀或規(guī)則的曲線狀，這表明薄膜的晶體結構較為完整，生長過程較為有序。而在一些存在缺陷的薄膜中，晶界可能會出現彎曲、斷裂或不規(guī)則的情況，這可能會影響薄膜的電學、磁學等性能。Temu在分析鎳基過渡金屬氧化物薄膜的微觀結構方面具有獨特的優(yōu)勢。它可以用于研究薄膜的層狀結構。對于一些具有多層結構的鎳基薄膜，Temu能夠清晰地分辨出不同層之間的界面和厚度。通過高分辨率Temu（HRTemu）成像，可以觀察到層間原子的排列方式和相互作用，這對于理解薄膜的生長機制和性能具有重要意義。在研究鎳基超導薄膜時，Temu可以揭示超導層與其他層之間的界面結構，以及界面處的原子排列對超導性能的影響。Temu還可以分析薄膜中的缺陷分布。在鎳基薄膜中，可能存在位錯、層錯、空位等多種缺陷。Temu可以通過觀察晶格的畸變和電子衍射圖案的變化，來識別和分析這些缺陷。位錯在Temu圖像中通常表現為晶格的局部畸變，通過測量位錯的密度和分布，可以評估薄膜的晶體質量和力學性能。層錯則表現為晶格的周期性中斷，Temu可以確定層錯的類型和擴展方向。通過對缺陷分布的研究，可以深入了解薄膜的生長過程和物理性質，為優(yōu)化薄膜的制備工藝提供依據。3.2.3案例展示：SEM和Temu揭示薄膜微觀特征以某研究團隊對鎳基超導薄膜的研究為例，充分展示了SEM和Temu在揭示鎳基薄膜微觀特征方面的重要作用。在該研究中，首先利用SEM對鎳基超導薄膜的表面形貌進行了觀察。SEM圖像清晰地呈現出薄膜表面的晶粒形態(tài)和分布情況。從圖像中可以看出，薄膜表面的晶粒大小較為均勻，平均晶粒尺寸約為50納米左右。晶粒呈現出規(guī)則的多邊形形狀，晶界清晰且較為平直，這表明薄膜在生長過程中具有較好的結晶質量和有序性。通過對SEM圖像的進一步分析，還發(fā)現薄膜表面存在一些微小的顆粒，這些顆粒的尺寸約為幾納米，均勻分布在晶粒表面。經過能譜分析（EDS），確定這些顆粒主要由鎳和氧元素組成，可能是在薄膜生長過程中由于原子的團聚或雜質的引入而形成的。為了深入了解薄膜的微觀結構，研究團隊采用了Temu技術。通過Temu觀察，清晰地揭示了薄膜的層狀結構。該鎳基超導薄膜由多個原子層組成，不同原子層之間的界面清晰，原子排列有序。在高分辨率Temu圖像中，可以看到每個原子層中的原子排列方式，以及層間原子的相互作用。通過選區(qū)電子衍射（SAED）分析，確定了薄膜的晶體結構為四方晶系，與XRD分析結果一致。在Temu觀察中，還發(fā)現了薄膜中的一些微觀缺陷。在薄膜中觀察到了位錯的存在，位錯在Temu圖像中表現為晶格的局部畸變，通過測量位錯的密度，發(fā)現位錯密度約為10^{10}cm^{-2}。這些位錯的存在可能會影響薄膜的電學性能，因為位錯會散射電子，增加電子的散射概率，從而影響電子的輸運。還觀察到了一些層錯，層錯的存在可能會改變薄膜的晶體結構和電子態(tài)，進而影響薄膜的超導性能。通過這個案例可以看出，SEM和Temu相互補充，為全面了解鎳基過渡金屬氧化物薄膜的微觀特征提供了重要手段。SEM能夠直觀地展示薄膜的表面形貌，包括晶粒大小、形狀、晶界以及表面顆粒等信息；而Temu則深入揭示了薄膜的微觀結構，如層狀結構、晶體取向以及缺陷分布等。通過對這些微觀特征的分析，可以深入理解薄膜的生長機制、物理性質以及性能之間的關系，為進一步優(yōu)化薄膜的制備工藝和性能提供了重要的實驗依據。3.3電學性能測試3.3.1電阻測量與超導特性研究電阻測量是研究鎳基過渡金屬氧化物薄膜電學性能的基礎手段，其中四探針法是一種常用的測量方法。四探針法的原理基于歐姆定律，通過在樣品上放置四個等間距的探針，利用恒流源向外側兩個探針施加恒定電流I，同時用高輸入阻抗的電壓表測量內側兩個探針之間的電壓V。由于電壓表的輸入阻抗極高，幾乎沒有電流通過內側探針，從而避免了測量過程中由于探針與樣品接觸電阻帶來的誤差。根據歐姆定律R=\frac{V}{I}，可以準確計算出樣品在測量點處的電阻。在實際測量中，對于鎳基過渡金屬氧化物薄膜，通常將薄膜制備成規(guī)則的形狀，如矩形或正方形，然后將四探針按照一定的間距放置在薄膜表面進行測量。通過電阻測量研究鎳基過渡金屬氧化物薄膜的超導特性是該領域的重要研究方向之一。在超導材料中，當溫度降低到某一特定溫度時，電阻會突然降為零，這個溫度被稱為超導轉變溫度T_c。對于鎳基超導薄膜，通過測量其電阻隨溫度的變化關系，可以準確確定超導轉變溫度。在測量過程中，通常采用變溫裝置，將樣品置于低溫環(huán)境中，并以一定的速率降低溫度，同時實時測量樣品的電阻。當溫度降低到超導轉變溫度附近時，電阻會迅速下降，呈現出超導態(tài)的特征。在測量某鎳基超導薄膜的電阻時，當溫度降低到30K左右時，電阻突然降為零，從而確定該薄膜的超導轉變溫度為30K。超導臨界電流也是超導特性的重要參數之一，它表示超導材料在保持超導狀態(tài)下能夠承載的最大電流。測量超導臨界電流的方法有多種，常用的有傳輸電流法和磁場誘導法。傳輸電流法是通過逐漸增大通過樣品的電流，同時監(jiān)測樣品的電阻變化，當電阻開始出現非零值時，此時的電流即為超導臨界電流。磁場誘導法是在一定的磁場下，逐漸增大通過樣品的電流，觀察樣品的超導狀態(tài)變化，當超導狀態(tài)被破壞時的電流即為超導臨界電流。對于鎳基超導薄膜，超導臨界電流的大小與薄膜的質量、晶體結構以及缺陷等因素密切相關。高質量的鎳基超導薄膜通常具有較高的超導臨界電流，這是因為其晶體結構更加完整，缺陷較少，有利于超導電子對的形成和傳輸。3.3.2霍爾效應測量與載流子特性分析霍爾效應是研究材料電學性能的重要手段之一，通過測量霍爾效應可以深入了解鎳基過渡金屬氧化物薄膜中載流子的特性?；魻栃脑砘谶\動電荷在磁場中受到洛倫茲力的作用。當電流I通過置于磁場B中的樣品時，在樣品的垂直于電流和磁場方向上會產生一個橫向電壓V_H，這個電壓被稱為霍爾電壓?；魻栯妷旱漠a生是由于載流子在磁場中受到洛倫茲力的作用，發(fā)生偏轉，在樣品的一側積累，從而形成了一個橫向電場，當橫向電場對載流子的作用力與洛倫茲力平衡時，達到穩(wěn)定狀態(tài)，此時產生的霍爾電壓V_H與電流I、磁場B以及樣品的厚度d之間存在如下關系：V_H=\frac{RHIB}q6vdvnf，其中RH為霍爾系數。在實際測量中，對于鎳基過渡金屬氧化物薄膜，通常將薄膜制備成適合測量的形狀，如矩形或正方形，然后將其置于均勻的磁場中，通過恒流源向薄膜施加電流，同時用高輸入阻抗的電壓表測量霍爾電壓。通過測量不同磁場強度和電流下的霍爾電壓，可以計算出霍爾系數。霍爾系數的正負可以確定載流子的類型，當霍爾系數為正時，載流子為正電荷，即空穴；當霍爾系數為負時，載流子為負電荷，即電子。在測量某鎳基過渡金屬氧化物薄膜的霍爾效應時，發(fā)現霍爾系數為負，從而確定該薄膜中的載流子類型為電子。通過霍爾效應測量還可以計算載流子濃度n和遷移率\mu。載流子濃度n與霍爾系數RH之間的關系為n=\frac{1}{eRH}，其中e為電子電荷量。遷移率\mu可以通過公式\mu=\frac{RH}{\rho}計算得到，其中\(zhòng)rho為樣品的電阻率。對于鎳基過渡金屬氧化物薄膜，載流子濃度和遷移率的大小與薄膜的晶體結構、化學成分以及缺陷等因素密切相關。在一些鎳基薄膜中，由于晶體結構的缺陷或雜質的存在，可能會導致載流子濃度和遷移率的變化，進而影響薄膜的電學性能。3.3.3案例分析：電學性能與薄膜結構的關聯以某研究團隊對鎳基超導薄膜的研究為例，深入分析了電學性能與薄膜結構、成分之間的關聯。該團隊利用脈沖激光沉積（PLD）技術制備了一系列不同結構和成分的鎳基超導薄膜，并對其電學性能進行了詳細研究。在研究超導性能與晶體結構缺陷的關系時，發(fā)現薄膜中的位錯和層錯等缺陷對超導性能有著顯著影響。通過透射電子顯微鏡（Temu）觀察發(fā)現，含有較多位錯的鎳基超導薄膜，其超導轉變溫度T_c明顯低于缺陷較少的薄膜。這是因為位錯會散射超導電子對，增加電子的散射概率，從而破壞超導態(tài)的穩(wěn)定性。在含有高密度位錯的薄膜中，超導電子對在運動過程中更容易與位錯發(fā)生相互作用，導致電子的能量損失增加，超導轉變溫度降低。層錯的存在也會改變薄膜的晶體結構和電子態(tài)，進而影響超導性能。層錯可能會導致晶體結構的局部畸變，影響電子的傳輸和配對，從而降低超導轉變溫度。在研究摻雜濃度對超導性能的影響時，發(fā)現適量的摻雜可以提高鎳基超導薄膜的超導轉變溫度。通過控制靶材中摻雜元素的含量，制備了不同摻雜濃度的鎳基超導薄膜。研究結果表明，當摻雜濃度在一定范圍內時，隨著摻雜濃度的增加，超導轉變溫度逐漸升高。這是因為摻雜可以引入額外的載流子，改變薄膜的電子結構，有利于超導電子對的形成。在摻雜的鎳基超導薄膜中，摻雜原子的電子態(tài)與鎳原子的電子態(tài)相互作用，形成了新的電子結構，增加了電子之間的配對強度，從而提高了超導轉變溫度。然而，當摻雜濃度過高時，超導轉變溫度反而會下降。這是因為過高的摻雜濃度會導致雜質原子的聚集，形成雜質相，破壞薄膜的晶體結構和超導電子對的形成，從而降低超導性能。通過這個案例可以看出，鎳基過渡金屬氧化物薄膜的電學性能與薄膜結構、成分之間存在著密切的關聯。通過對薄膜結構和成分的精確控制，可以有效地調控薄膜的電學性能，為鎳基超導材料的優(yōu)化和應用提供了重要的理論依據和實驗指導。3.4磁學性能表征3.4.1振動樣品磁強計（VSM）測量原理與應用振動樣品磁強計（VSM）是一種廣泛應用于測量材料磁學性能的重要儀器，其測量原理基于電磁感應定律。當一個磁性樣品在交變磁場中作微小振動時，會產生一個隨時間變化的磁通量。根據法拉第電磁感應定律，變化的磁通量會在環(huán)繞樣品的檢測線圈中感應出電動勢。這個感應電動勢的大小與樣品的磁矩、振動幅度以及磁場變化率等因素密切相關。具體來說，VSM的工作過程如下：首先，將待測量的鎳基過渡金屬氧化物薄膜樣品固定在一個振動裝置上，通常采用音叉或電磁振動器來實現樣品的微小振動。樣品被放置在一個均勻的直流磁場中，同時在樣品周圍環(huán)繞著一組檢測線圈。當樣品在交變磁場中振動時，其磁矩會隨著磁場的變化而發(fā)生變化，從而導致通過檢測線圈的磁通量發(fā)生改變。檢測線圈中感應出的電動勢經過放大、濾波等處理后，被送入測量電路進行測量和分析。通過測量感應電動勢的大小和相位，可以精確計算出樣品的磁矩。在鎳基過渡金屬氧化物薄膜的磁學性能表征中，VSM具有重要的應用價值。它可以用于測量薄膜的磁化強度，磁化強度是描述材料磁性強弱的重要物理量，通過測量不同磁場強度下薄膜的磁化強度，可以繪制出磁化曲線，從而了解薄膜在不同磁場條件下的磁性變化規(guī)律。在研究某鎳基薄膜的磁性時，通過VSM測量發(fā)現，隨著磁場強度的增加，薄膜的磁化強度逐漸增大，當磁場強度達到一定值后，磁化強度趨于飽和，這表明該薄膜具有典型的鐵磁特性。VSM還可以用于測量薄膜的磁滯回線。磁滯回線是描述磁性材料在反復磁化過程中，磁化強度與磁場強度之間關系的曲線。通過測量磁滯回線，可以得到矯頑力、剩磁等重要的磁學參數。矯頑力是指使磁性材料的磁化強度降為零所需的反向磁場強度，它反映了材料抵抗磁化反轉的能力；剩磁是指當磁場強度為零時，材料中剩余的磁化強度。對于鎳基過渡金屬氧化物薄膜，磁滯回線的形狀和參數可以反映出薄膜的磁各向異性、磁疇結構等信息。在研究某鎳基薄膜的磁滯回線時，發(fā)現其矯頑力較小，剩磁也較低，這表明該薄膜的磁疇結構相對簡單，磁各向異性較弱。3.4.2磁學性能與電子結構的關系鎳基過渡金屬氧化物薄膜的磁學性能與其電子結構之間存在著緊密而復雜的內在聯系，這種聯系深刻地影響著薄膜的各種物理性質。電子的自旋狀態(tài)是影響鎳基薄膜磁學性能的關鍵因素之一。在鎳基過渡金屬氧化物中，鎳原子的3d電子具有未成對的自旋，這些未成對電子的自旋取向決定了原子磁矩的大小和方向。當多個鎳原子的自旋取向相互平行時，會形成較大的宏觀磁矩，使薄膜表現出鐵磁性。在一些具有鐵磁特性的鎳基薄膜中，通過理論計算和實驗測量發(fā)現，鎳原子的3d電子自旋呈現出高度的有序排列，使得薄膜具有較強的鐵磁性。相反，當鎳原子的自旋取向相互反平行時，宏觀磁矩會相互抵消，薄膜可能表現出反鐵磁性或弱磁性。在某些鎳基氧化物中，由于晶體結構的特點，鎳原子的自旋形成了反鐵磁排列，導致薄膜在宏觀上表現出反鐵磁性。軌道雜化也對鎳基薄膜的磁學性能產生重要影響。鎳原子的3d軌道與周圍氧原子的2p軌道之間會發(fā)生雜化，形成新的電子軌道。這種軌道雜化會改變電子的分布和能量狀態(tài)，進而影響磁學性能。在一些鎳基薄膜中，3d-2p軌道雜化使得電子云的分布發(fā)生變化，增強了電子之間的相互作用，從而對磁矩的大小和穩(wěn)定性產生影響。通過理論計算和光譜分析發(fā)現，在某些鎳基氧化物中，較強的3d-2p軌道雜化導致了電子的局域化程度增加，使得磁矩更加穩(wěn)定，從而增強了薄膜的磁性。電子的巡游性與磁學性能也密切相關。在一些鎳基薄膜中，電子具有一定的巡游性，即電子可以在晶格中自由移動。這種巡游電子的存在會影響磁矩的形成和穩(wěn)定性。巡游電子與局域磁矩之間的相互作用會導致磁性的變化。在一些具有金屬性的鎳基薄膜中，巡游電子的存在使得電子之間的交換相互作用增強，有利于形成鐵磁性。而在一些絕緣性的鎳基薄膜中，電子的巡游性受到限制，磁學性能主要由局域磁矩決定。3.4.3案例：磁學性能研究揭示薄膜的磁特性以某研究團隊對鎳基薄膜的磁學性能研究為例，深入展示了磁學性能表征在揭示薄膜磁特性方面的重要作用。該團隊利用VSM對一系列不同結構和成分的鎳基薄膜進行了磁學性能測試。在研究過程中，通過改變鎳基薄膜中的摻雜元素和摻雜濃度，制備了多種樣品。對于未摻雜的鎳基薄膜，VSM測量結果顯示其磁滯回線呈現出典型的鐵磁特征，矯頑力約為100Oe，剩磁為0.5emu/g。這表明未摻雜的鎳基薄膜具有較強的鐵磁性，磁疇結構相對穩(wěn)定。當在鎳基薄膜中引入少量的鈷元素進行摻雜時，磁學性能發(fā)生了顯著變化。隨著鈷摻雜濃度的增加，薄膜的矯頑力逐漸增大，當鈷摻雜濃度達到5%時，矯頑力增加到了200Oe。同時，剩磁也有所增加，達到了0.7emu/g。通過進一步的分析發(fā)現，鈷原子的引入改變了鎳原子的電子結構，增強了電子之間的交換相互作用，使得磁疇壁的移動變得更加困難，從而導致矯頑力增大。鈷原子的磁矩與鎳原子的磁矩相互作用，也使得薄膜的總磁矩增加，剩磁增大。在研究鎳基薄膜的磁各向異性時，通過在不同方向上施加磁場，利用VSM測量薄膜的磁化強度。結果發(fā)現，在某些鎳基薄膜中，沿著特定的晶體學方向施加磁場時，