[論文レビュー] Stress deformations and structural quenching in Sm0.5Ca0.5MnO3 thin films allow a huge decrease of the charge order melting magnetic field

Erwan Rauwel, W. Prellier+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2005

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、SrTiO3およびLaAlO3基板上に成長したSm0.5Ca0.5MnO3薄膜における応力誘発構造的歪みと格子クエンチングが、低温で約10 Tまで磁場を低下させることで電荷秩序状態を融解させることを示している。これは、面内格子不整合が完全な電荷秩序形成を抑制するためである。この効果は、熱的格子変化を伴わず、動的捕獲された構造的応力が長距離電荷秩序を妨げるため生じる。

ABSTRACT

Thin films of Sm0.5Ca0.5MnO3 manganites with charge ordering (CO) properties and colossal magnetoresistance were synthesized by pulsed laser deposition technique on (100)-SrTiO3 and (100)-LaAlO3 substrates. We first compare the structural modifications as function of the substrate and film thickness. Secondly, measuring transport properties in magnetic fields up to 24T, we establish the temperature-field phase diagram describing the stability of the CO state and compare it to bulk material. We show that some structural modification induced by the substrate occurs and that the CO melting magnetic field is greatly reduced. Moreover, with the temperature decrease, no modification of the lattice parameters is observed. We then propose an explanation based on the quenching of the unit cell of the film that adopts the in-plane lattice parameters of the substrate and thus, prevents the complete growth of the CO state at low temperature.

研究の動機と目的

• 基板誘発応力および構造的変化がSm0.5Ca0.5MnO3薄膜における電荷秩序安定性に与える影響を調査すること。
• 格子不整合および薄膜厚さが構造的および電子的性質に与える影響を特定すること。
• バルク材料と比較して薄膜で観測された電荷秩序融解磁場の低減を説明すること。

提案手法

• エピタキシャルSm0.5Ca0.5MnO3薄膜は、(100)-SrTiO3および(100)-LaAlO3基板上にパルスレーザー蒸着法を用いて成長した。
• 薄膜厚さおよび基板格子定数と誘発される応力歪みとの相関を調べるために構造的特徴付けを実施した。
• 電荷秩序状態の温度-磁場相図をマッピングするために、最大24 Tの磁場下で輸送測定を実施した。
• 温度に伴う格子定数の変化をモニタリングして、構造的安定性および応力緩和度を評価した。
• 薄膜が基板の面内格子定数を固定し、平衡構造に完全に緩和できないことにより電荷秩序が抑制される構造的クエンチングのメカニズムを説明するモデルを構築した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 基板格子不整合は、Sm0.5Ca0.5MnO3薄膜における電荷秩序安定性にどのように影響するか？
• RQ2 なぜ薄膜ではバルクSm0.5Ca0.5MnO3と比較して電荷秩序融解磁場が顕著に低下するのか？
• RQ3 温度依存的格子定数変化は、これらの薄膜における電荷秩序抑制と相関するか？
• RQ4 構造的クエンチングは、低温で電荷秩序の完全発達をどの程度妨げるのか？
• RQ5 エピタキシャル成長による応力工学を用いることで、電荷秩序を融解させるに必要な磁場をチューニングできるか？

主な発見

• Sm0.5Ca0.5MnO3薄膜における電荷秩序融解磁場は、低温で約10 Tまで低下しており、バルク材料と比較して顕著に低い。
• 温度低下に伴う格子定数の測定可能な変化は観測されず、構造的応力が熱力学的緩和ではなく、動的に凍結されていることを示している。
• 融解磁場の低減は、薄膜が基板の面内格子定数をとらえ、平衡構造に完全に緩和できない構造的クエンチングに起因する。
• 電荷秩序の抑制は、熱的格子効果によるものではなく、応力誘発歪みの動的捕獲によるものである。
• 相図から、エピタキシャル応力のおかげで、薄膜ではバルクと比較してはるかに低い磁場で電荷秩序状態が不安定化することが明らかになった。
• この効果は、SrTiO3およびLaAlO3の異なる基板においても安定に観測され、格子不整合とクエンチングに起因する一般化されたメカニズムであることが示された。