[논문 리뷰] Direct Imaging Revealing Halved Ferromagnetism in Tensile-Strained LaCoO3 Thin Films

Qiyuan Feng, Dechao Meng외 10명|arXiv (Cornell University)|2019. 06. 10.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 저온 자기력현미경(MFM)을 사용하여 인장응력이 가해진 LaCoO3 박막에서 강자성 상 분리를 직접 이미징하였다. 이로써 4.5 K의 온도와 최대 13.4 T의 자기장에서도 박막 면적의 약 ~50%만 강자성이었음을 밝혀냈으며, 이는 Curie 전이 온도보다 20 K 높은 온도에서도 나노미터 크기의 강자성 덩어리가 지속된다는 것을 시사하며, Griffiths 상과 나노미터 크기의 비균질성을 나타내며 기존의 탄성 산화물 이종구조에서의 잠재적 강자성 기원 이론에 도전한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 인장응력이 가해진 LaCoO3 박막에서 나타나는 잠재적 강자성 기원을 규명하기 위해.
• 나노스케일에서 강자성 상의 공간 분포와 안정성을 직접 시각화하기 위해.
• 관측된 강자성이 상 분리 또는 비균일한 자기적 질서에 기인한 것인지 조사하기 위해.
• 고품질, 산소빈공 농도가 낮은 박막에서 강자성 영역의 온도 및 자기장 의존성을 규명하기 위해.
• Curie 전이 온도 이상에서도 강자성 덩어리가 존재하는지 분석하여 Griffiths 상 존재 여부를 탐색하기 위해.

제안 방법

• 저온 자기력현미경(MFM)을 사용하여 4.5 K의 온도까지 강자성 도메인을 이미징하였다.
• 산소빈공 농도가 2% 이하인 고품질 LaCoO3 박막을 SrTiO3 기판에 에피택셜 성장시켜 외부 요인의 영향을 최소화하였다.
• 균일한 인장응력이 가해져, 격자나 결함 효과와 분리된 내재된 자기적 거동을 분리할 수 있었다.
• 저온(최저 4.5 K) 및 고자기장(최대 13.4 T) 범위에서 자기 이미징을 수행하였다.
• Curie 전이 온도 이상에서도 강자성 덩어리가 지속되는지 분석하여 Griffiths 상 존재 여부를 탐색하였다.
• 상 분리를 정량화하기 위해 강자성 영역이 차지하는 면적 비율을 측정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 인장응력이 가해진 LaCoO3 박막에서 강자성 질서의 공간 분포와 범위는 어떻게 되는가?
• RQ2 강자성 상 분율은 온도와 자기장에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 Curie 전이 온도 이상에서도 강자성 덩어리가 지속되는가? 이는 가능한 Griffiths 상 존재를 시사하는가?
• RQ4 관측된 강자성은 균일한 자기적 질서보다 상 분리에 의해 얼마나 영향을 받는가?
• RQ5 내재된 격자 응력과 낮은 결함 농도가 강자성 상태의 안정화에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 강자성 영역은 박막 면적의 약 50%를 차지하며, 일반적으로 100 nm ~ 200 nm 크기이다.
• 연결된 강자성 도메인은 4.5 K까지 안정되어 있으며, 최대 13.4 T의 자기장에서도 유지된다.
• Curie 전이 온도보다 20 K 높은 온도에서도 강자성 덩어리가 지속되며, 이는 Griffiths 상 존재를 시사한다.
• 산소빈공 농도가 매우 낮음(<2%)으로, 높은 구조적 및 화학적 품질을 확인한다.
• 나노미터 크기의 상 분리를 관찰하여, 자기적 기저 상태의 내재된 비균일성을 시사한다.
• 결과는 강자성의 균일한 모델을 도전하며, 인장된 LaCoO3에서 나노스케일 상 분리가 일어나는 시나리오를 지지한다.