[論文レビュー] Direct Imaging Revealing Halved Ferromagnetism in Tensile-Strained LaCoO3 Thin Films

Qiyuan Feng, Dechao Meng+10 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2019

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、低温磁気フォースマイクロスコピー（MFM）を用いて、引張応力がかかるLaCoO3薄膜における強磁性相分離を直接画像化した。4.5 Kの低温および13.4 Tまでの磁場においても、薄膜面積の約50%が強磁性であることが明らかになった。また、Curie温度から20 K上回る温度においても、強磁性ドロップレットが持続していることが示され、Griffiths相の存在を示唆し、歪み酸化物ヘテロ構造における発現的強磁性の既存モデルに挑戦するものである。

ABSTRACT

The enigma of the emergent ferromagnetic state in tensile-strained LaCoO3 thin films remains to be explored because of the lack of a well agreed explanation. The direct magnetic imaging technique using a low-temperature magnetic force microscope (MFM) is critical to reveal new aspects of the ferromagnetism by investigating the lateral magnetic phase distribution. Here we show the experimental demonstration of the rare halved occupation of the ferromagnetic state in tensile-strained LaCoO3 thin films on SrTiO3 substrates using the MFM. The films have uniformly strained lattice structure and minimal oxygen vacancies (less than 2%) beyond the measurement limit. It is found that percolated ferromagnetic regions with typical sizes between 100 nm and 200 nm occupy about 50% of the entire film, even down to the lowest achievable temperature of 4.5 K and up to the largest magnetic field of 13.4 T. Preformed ferromagnetic droplets were still observed when the temperature is 20 K above the Curie temperature indicating the existence of possible Griffiths phase. Our study demonstrated a sub-micron level phase separation in high quality LaCoO3 thin films, which has substantial implications in revealing the intrinsic nature of the emergent ferromagnetism.

研究の動機と目的

• 引張応力がかかるLaCoO3薄膜における発現的強磁性の未解決な起源を解明すること。
• ナノスケールでの強磁性相の空間的分布および安定性を直接可視化すること。
• 観察された強磁性が、相分離か不均一な磁気的秩序に起因するかを調査すること。
• 高品質で酸素バキュオリの少ない薄膜における強磁性領域の温度および磁場依存性を特定すること。
• Curie温度を超えて強磁性ドロップレットが持続するかを検討することで、Griffiths相の存在を探索すること。

提案手法

• 4.5 Kにまで冷却した低温磁気フォースマイクロスコピー（MFM）を用いて、磁気ドメインを画像化した。
• SrTiO3基板上に、酸素バキュオリが2%未満の高品質なLaCoO3薄膜を成長させ、外部要因の影響を最小限に抑えた。
• 薄膜は一様な引張応力を示しており、格子歪みや不純物効果からの分離が可能になった。
• 温度（4.5 Kまで）および磁場（13.4 Tまで）の範囲で磁気イメージングを実施した。
• Curie温度を超えて強磁性ドロップレットが持続するかを分析し、Griffiths相の有無を調査した。
• 相分離の程度は、強磁性領域が占める面積率を測定することで定量化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 引張応力がかかるLaCoO3薄膜における強磁性秩序の空間的分布および広がりはいかなるものか？
• RQ2 強磁性相分率は温度および磁場の変化にどのように応答するか？
• RQ3 Curie温度を超えて強磁性ドロップレットが持続するか、これはGriffiths相の可能性を示唆するか？
• RQ4 観察された強磁性は、均一な磁気秩序ではなく、相分離に起因する程度はどの程度か？
• RQ5 内在的な格子歪みおよび低欠陊濃度が、強磁性状態の安定化に果たす役割は何か？

主な発見

• 強磁性領域は薄膜面積の約50%を占めており、典型的なサイズは100〜200 nmである。
• 連結した強磁性ドメインは、4.5 Kまでおよび13.4 Tまでの磁場下でも安定している。
• Curie温度から20 K上回る温度においても強磁性ドロップレットが持続しており、Griffiths相の存在を示唆している。
• 酸素バキュオリは最小限（<2%）であり、構造的および化学的高品質性が確認された。
• サブミクロンスケールの相分離が観察され、磁気基底状態における内在的不均一性を示唆している。
• 本結果は、均一な強磁性モデルを挑戦し、歪みのあるLaCoO3におけるナノスケールの相分離を支持するものである。