[論文レビュー] Robust ferromagnetism in highly strained SrCoO3 thin films

Yujia Wang, Qing He+16 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2020

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、酸素ステイクションを維持するための後処理オゾンアニーリングを用いて、最大3.0%の引張応力まで高いひずみを受けるSrCoO3薄膜において、頑健な強磁性を示すことを実証した。ひずみによって誘起された金属-絶縁体転移にもかかわらず、持続的な強磁性状態が観測されたことから、磁性は拡散電子ではなく局在電子に起因するものであり、従来の二重交換メカニズムに反するものである。

ABSTRACT

Epitaxial strain provides important pathways to control the magnetic and electronic states in transition metal oxides. However, the large strain is usually accompanied by a strong reduction of the oxygen vacancy formation energy, which hinders the direct manipulation of their intrinsic properties. Here using a post-deposition ozone annealing method, we obtained a series of oxygen stoichiometric SrCoO3 thin films with the tensile strain up to 3.0%. We observed a robust ferromagnetic ground state in all strained thin films, while interestingly the tensile strain triggers a distinct metal to insulator transition along with the increase of the tensile strain. The persistent ferromagnetic state across the electrical transition therefore suggests that the magnetic state is directly correlated with the localized electrons, rather than the itinerant ones, which then calls for further investigation of the intrinsic mechanism of this magnetic compound beyond the double-exchange mechanism.

研究の動機と目的

• 高引張応力下での酸素ステイクションを保ったSrCoO3薄膜の安定化を目的とし、磁性特性の研究を実施する。
• 遷移金属酸化物におけるひずみ、電子構造、磁性の相関を解明する。
• SrCoO3における強磁性が拡散電子によって駆動されているのか、それとも局在電子状態によって駆動されているのかを特定する。
• 相関酸化物における二重交換モデルを超えた、本質的な磁性メカニズムを探索する。

提案手法

• エピタキシャルSrCoO3薄膜を、格子不整合を有する基板上に成長させ、最大3.0%の引張応力を誘発した。
• 酸素バナダイドの生成を抑制し、酸素ステイクションを維持するために、後処理としてオゾンアニーリングを実施した。
• X線回折および高分解能透過電子顕微鏡を用いて、薄膜の品質およびひずみレベルを確認した。
• 角度分解光電子分光および電気的輸送測定により、金属-絶縁体転移を調査した。
• 磁性測定（SQUID）により、全ひずみ範囲で強磁性秩序の存在を確認した。
• 理論的解析を用いて、観測された強磁性における局在電子と拡散電子の役割を解釈した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SrCoO3薄膜における高引張応力が、電子的再構成を伴っても強磁性秩序を抑制するか、あるいは安定化させるか？
• RQ2 酸素ステイクションが、大きなひずみ下での強磁性の安定性にどのように影響するか？
• RQ3 観測されたSrCoO3の強磁性は、二重交換メカニズムに起因するのか、それとも局在電子を含む代替メカニズムに起因するのか？
• RQ4 引張応力下での金属から絶縁体への電子的転移の性質は何か。また、その転移が強磁性と共存する仕組みは何か？
• RQ5 Mott様の絶縁体転移を経験する系においても、頑健な強磁性が持続可能か？

主な発見

• 全SrCoO3薄膜において、最大3.0%の引張応力下でも、SQUID測定により頑健な強磁性基底状態が確認された。
• 抵抗率測定により、低温で抵抗率が発散する兆候が観測され、ひずみ増加に伴う明確な金属-絶縁体転移が確認された。
• 強磁性転移温度はひずみ範囲全域で安定しており、強磁性の高い安定性が示された。
• オゾンアニーリングにより酸素バナダイドが効果的に抑制され、内在的電子的および磁性特性に不可欠な酸素ステイクションが維持された。
• 金属-絶縁体転移を経ても強磁性が持続するという事実は、磁性が拡散電子によって媒介されているのではなく、局在d電子によって駆動されていることを示唆している。
• 本結果は、SrCoO3における磁性メカニズムが二重交換モデルを超越しており、局在状態を含む二重交換様またはスピン交換相互作用に起因する代替メカニズムが関与している可能性を示唆している。