[論文レビュー] Giant change in IR light transmission in La_{0.67}Ca_{0.33}MnO_{3} film near the Curie temperature: promising application in optical devices

Yu. P. Sukhorukov, Е. А. Ганьшина+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 3, 2002

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials参考文献 11被引用数 28

ひとこと要約

本研究では、Curie温度（約270 K）付近で、La_{0.67}Ca_{0.33}MnO_3膜における赤外線（IR）透過率が1000倍も低下することを実証した。この現象は、常磁性から強磁性への転移に起因し、強磁性状態では抵抗率と皮剥き厚さが急激に低下することで生じる。この結果、熱的および磁場的制御によるIR透過率の強力な制御が可能となり、モジュレーターやシャッターなどのIR光デバイスへの応用が期待される。

ABSTRACT

Transport, magnetic, magneto-optical (Kerr effect) and optical (light absorption) properties have been studied in an oriented polycrystalline La_{0.67}Ca_{0.33}MnO_{3} film which shows colossal magneto-resistance. The correlations between these properties are presented. A giant change in IR light transmission (more than a 1000-fold decrease) is observed on crossing the Curie temperature (about 270 K) from high to low temperature. Large changes in transmittance in a magnetic field were observed as well. The giant changes in transmittance and the large magneto-transmittance can be used for development of IR optoelectronic devices controlled by thermal and magnetic fields. Required material characteristics of doped manganites for these devices are discussed.

研究の動機と目的

• エピタキシャルLa_{0.67}Ca_{0.33}MnO_3膜のCurie温度近傍における磁気的・輸送的・光学的性質の相関を調査すること。
• 赤外線透過率および磁気透過率の大きな変化を測定することで、ドーピングされたマンガン酸化物がIR光エレクトロニクスデバイスにどのように応用可能かを検討すること。
• 巨大磁気抵抗と強磁性転移を用いた機械的でない、場制御型光学スイッチングの実現可能性を検証すること。
• 膜の品質および構造的秩序が、室温付近の転移において巨大な光学応答を実現するために果たす役割を評価すること。

提案手法

• 150 nm 厚のエピタキシャルLa_{0.67}Ca_{0.33}MnO_3膜を、600 °Cで250 mTorrの酸素圧下でパルスレーザー蒸着（PLD）法により（001）LaAlO_3基板上に成長させた。
• 950 °Cで25時間の後処理焼鈍により、結晶性および酸素化学 Stoichiometry が向上し、XRDおよびAFMによる測定でrms粗さが2 nm未満であることが確認された。
• 80–295 Kの温度範囲で0.12–1.0 eV（1240–12400 nm）の波長域で、膜面に垂直に0.8 Tまでの磁場を印加しながら、光学透過率および吸収率を測定した。
• 磁気光学的応答を調査し、磁気的秩序と相関をとるために、0.5–3.8 eV範囲で動的線形横方向ケール効果（TKE）を測定した。
• 皮剥き厚さδはδ ≈ (2ρ/μ₀ω)¹ᐟ²の式で推定され、抵抗率とIRの浸透および透過率の変化を結びつける。
• 吸収係数Kはドレーブ・モデルを用いて直流電導度と関連づけられ、透過率TはT = (1−R₁)(1−R₂)(1−R₁₂)exp(−Kd)の式で計算された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 La_{0.67}Ca_{0.33}MnO_3膜における強磁性転移付近の赤外線透過率の変化の大きさはどの程度か？
• RQ2 Curie温度付近における磁気光学的および輸送的性質が、光学的応答とどのように相関しているか？
• RQ3 強磁性状態における皮剥き厚さの変化が、観測された透過率低下をどの程度説明できるか？
• RQ4 観測された巨大磁気透過率効果が、実用的なIR光デバイスの実現に寄与できるか？
• RQ5 均一性、結晶性などの材料的特徴は、ドーピングマンガン酸化物における大きな光学スイッチングを実現するためにどの程度重要か？

主な発見

• Curie温度（Tc ≈ 270 K）を通過する際、赤外線透過率が1000倍も低下し、6.4 μm波長域で透過率が約10%から約0.01%に低下した。
• Tcにおける抵抗率比R(Tc)/R(4.2 K)は約48.6であったが、光学的透過率の低下ははるかに顕著であり、抵抗率と透過率の間には非線形関係があることが示唆された。
• 皮剥き厚さはT = Tcで約486 nmから4.2 Kで約70 nmに低下し、膜厚（150 nm）より小さくなった。これは強磁性状態における強いIR吸収を説明する。
• 大きな磁気透過率変化（MT = [I(H)−I(0)]/I(0)）が観測され、その効果はTc付近で最大となり、巨大磁気抵抗と類似した挙動を示した。
• 表面の滑らかさ（rms <2 nm）および高い面内配向がXRDおよびAFMにより確認され、高品質な光学的および電子的性質を支持した。
• 観測された巨大光学応答に加え、Tcが約270 K（室温に近い）であるため、本材料はモジュレーターや光学シャッターなどの実用的IR光エレクトロニクスデバイスに非常に適している。