[論文レビュー] Structural, electronic and magnetic properties of SrRuO$_3$ under epitaxial strain

A. T. Zayak, Xiufeng Huang+2 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2006

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、局所スピン密度近似（LSDA）を用いた密度汎関数理論（DFT）を用いて、[001]および[110]配向のSrRuO₃薄膜における、面内引張および圧縮ひずみ（最大±4%）がもたらす、構造的・電子的・磁気的性質への影響を調査した。主な発見は、酸素オクテイアドロンネットワークのひずみ誘発的歪みが、磁気モーメントの安定性および電子バンド構造に強く影響することであり、[110]配向薄膜では対称性の低下によりt₂gバンドの分裂とフェルミ準位以下の0.8 eVのギャップが生じ、酸化物ヘテロ構造における磁気的・構造的チューニングが可能であることが示された。

ABSTRACT

Using density functional theory within the local spin density approximation, structural, electronic and magnetic properties of SRO are investigated. We examine the magnitude of the orthorhombic distortion in the ground state and also the effects of applying epitaxial constraints, whereby the influence of large (in the range of $\pm 4%$) in-plane strain resulting from coherent epitaxy, for both [001] and [110] oriented films, have been isolated and investigated. The overall pattern of the structural relaxations reveal coherent distortions of the oxygen octahedra network, which determine stability of the magnetic moment on the Ru ion. The structural and magnetic parameters exhibit substantial changes allowing us to discuss the role of symmetry and possibilities of magneto-structural tuning of \SRO-based thin film structures.

研究の動機と目的

• エピタキシャルひずみがSrRuO₃薄膜の構造的・電子的・磁気的性質に与える影響を理解すること。
• 体積相PbnmにおけるバルクSrRuO₃の格子定数に関する文献の不一致を解消すること。
• ひずみおよび薄膜の配向（[001]対[110]）が、Ruの磁気モーメントの安定性および電子構造に与える影響を調査すること。
• Pbnm相における酸素オクテイアドロンのねじれと歪みが、ひずみ下でも磁気秩序を維持する役割を解明すること。
• SrRuO₃ベースの酸化物ヘテロ構造における磁気的・構造的チューニングの道筋を同定すること。

提案手法

• 電子的および磁気的性質の計算には、局所スピン密度近似（LSDA）を用いた密度汎関数理論（DFT）が用いられた。
• エピタキシャルひずみは、基板上での共格エピタキシーを模擬するため、面内格子定数に±4%の制約を適用することでモデル化された。
• [001]および[110]配向の薄膜における構造的緩和が計算され、ひずみ下での対称性および原子位置が最適化された。
• 電子バンドの分裂およびギャップを調査するため、Ru 3d軌道の投影密度状態（DOS）が分析された。
• Pbnm相における酸素オクテイアドロンのねじれと歪みの役割は、幾何学的および対称性に基づく分析を用いて検討された。
• ひずみ効果を分離するために、Pm3̄m（立方晶）、Pbnm（正方晶）、およびひずみを加えたPbnm相の比較的分析が実施された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 面内エピタキシャルひずみは、SrRuO₃における正方晶歪みおよび酸素オクテイアドロンネットワークにどのように影響を与えるか？
• RQ2 [001]対[110]の薄膜配向が、ひずみを受けるSrRuO₃の電子バンド構造および磁気モーメントに与える影響は何か？
• RQ3 [110]配向薄膜が[001]配向とは異なり、フェルミ準位以下の追加の電子的ギャップを示す理由は何か？
• RQ4 ひずみは、Ru磁気モーメントの安定性およびt₂gとegバンドの分裂にどのように影響を与えるか？
• RQ5 酸素オクテイアドロンのねじれを抑制することで、ひずみを用いてSrRuO₃に非磁性状態を誘導できるか？

主な発見

• [110]配向のSrRuO₃薄膜において、引張ひずみ（1.94%）がかかると、スピンアップ状態ではフェルミ準位以下の0.8 eV、スピンダウン状態では0.4 eVの追加の電子的ギャップが、対称性のさらなる低下およびt₂gバンドの分裂により開く。
• [001]配向における引張ひずみは、面内のオクテイアドロン歪みを軽減し、t₂gとegバンド間の反発を弱め、無ひずみPbnm相と比較してフェルミ準位上のギャップを小さくする。
• Pbnm相では、オクテイアドロンのねじれによってデゲネラシーが解除され、t₂gとeg状態間のバンド反発が生じ、フェルミ準位上のギャップ（0.2–0.3 eV）が形成される。
• 理想のPm3̄m構造ではオクテイアドロンの歪みが存在しないため、フェルミ準位上のギャップは生じず、歪みがギャップ形成に不可欠であることを確認した。
• 非磁性状態におけるひずみ誘発的Ru-Oz結合の歪みは、Ruスピン配置の変化に関連しており、電子構造と磁気秩序の強い結合を示唆している。
• 本研究では、酸素オクテイアドロンのねじれと歪みの度合いを制御することで、エピタキシャルひずみを用いてSrRuO₃の磁気的および電子的性質をチューニング可能であることを示した。これにより、機能的酸化物ヘテロ構造の設計が可能となる。