[논문 리뷰] Indications of spin polarized transport in Ba$_2$FeMoO$_6$ thin films

Simon Granville, I. L. Farrell외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 05.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 곡물 경계 결함으로 인해 포화 자화가 감소하고 자화 저항이 포화되지 않는다는 점을 감안할지라도, Ba₂FeMoO₆ (BFMO) 박막은 약 ~300 K까지 결정립 내에서 강한 스핀 분극을 나타낸다. 이질적 홀 효과와 이방성 자기저항 측정을 통해 저자들은 결정립 내에서 반금속성 거동를 확인하였으며, 이는 BFMO가 비이상적인 박막 형태에서도 스핀 분극 전류의 실현 가능한 원천임을 시사한다.

ABSTRACT

We have investigated the magnetic and magnetotransport properties of Ba$_2$FeMoO$_6$ thin films produced by pulsed laser deposition from optimized bulk material. The films are comprised of grains of crystalline Ba$_2$FeMoO$_6$ with a disordered grain boundary region that lowers the net saturation magnetization of the film and prevents full magnetic alignment below a Curie temperature $T_C$$\sim$305 K. Magnetotransport measurements point to the Ba$_2$FeMoO$_6$ grains retaining the high spin polarization of a half-metal up to $T_C$, while the grain boundaries greatly reduce the spin polarization of the intergrain electrical current due to spin-flip scattering. Our results show that a strong spin polarization of the electronic charge carriers is present even in Ba$_2$FeMoO$_6$ films that do not show the ideal bulk magnetic character.

연구 동기 및 목표

• 최적화된 바탕 타겟에서 펄스 레이저 증착을 통해 성장시킨 Ba₂FeMoO₆ 박막의 자성 및 자기전도성 특성을 조사하는 것.
• 부분적으로 부족한 부직성 자성 특성을 보이는 BFMO 박막에서도 스핀 분극 전도가 유지되는지 여부를 규명하는 것.
• 곡물 경계 결함의 관점에서 감소한 자화와 포화되지 않는 자기저항의 기원을 규명하는 것.
• BFMO 박막이 스핀트로닉스 장치의 고도로 스핀 분극된 전류의 원천으로서의 잠재력을 평가하는 것.
• 특히 희토류 전이 온도 (~305 K) 근처에서 전자 전도 거동을 구조적 및 자성 특성과 연관지어 분석하는 것.

제안 방법

• 고온에서 격자에 맞는 기질에 에피택셜 Ba₂FeMoO₆ 박막을 펄스 레이저 증착(PLD)을 통해 성장시켰다.
• 낮은 반위치 결함 비율(3.4%)을 가진 바탕 타겟에서 성장시켜 10 K에서 3.72 μB/f.u.의 높은 포화 자화를 달성하였다.
• 스핀 분극을 탐색하기 위해 縦자기저항 및 이질적 홀 효과 측정을 포함한 자기전도성 측정을 수행하였다.
• 이방성 자기저항(AMR) 측정을 통해 반금속성 특성을 탐지하였으며, 음성 기울기는 스핀 분극 전도를 나타낸다.
• 구조적 일관성과 결함 기반 장벽을 평가하기 위해 X선 회절 및 전기저항 측정을 실시하였다.
• 5 K까지의 온도 의존 측정을 통해 자성 및 전도성 특성의 안정성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Ba₂FeMoO₆ 박막이 부품의 자성보다 감소한 자화를 보일 경우에도 스핀 분극 전도를 얼마나 유지하는가?
• RQ2 곡물 경계와 반위치 경계(APBs)가 자기저항과 스핀 분극을 떨어지게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 BFMO 박막에서 관찰된 음성 이방성 자기저항(AMR)은 결정립 내 반금속성 거동을 확인하는가?
• RQ4 자기 정렬 온도(T_C ≈ 305 K)는 스핀 분극 전도의 시작과 어떻게 관련되는가?
• RQ5 곡간 산란이 존재하더라도 BFMO 박막은 스핀트로닉스 장치에서 실현 가능한 스핀 분극 전류의 원천이 될 수 있는가?

주요 결과

• Ba₂FeMoO₆ 박막은 약 ~305 K의 희토류 전이 온도를 보이며, 부품과 유사한 자성 정렬을 나타낸다.
• 부분적으로 감소한 포화 자화를 보이지만, 음성 이방성 자기저항(AMR)을 나타내어 결정립 내 반금속성 특성을 확인한다.
• 이질적 홀 효과가 약 250–300 K 근처에서 부호를 전환하며, 이는 자성 정렬 상실과 동시에 발생하여 T_C 이하에서 강한 스핀 분극이 존재함을 확인한다.
• 종방향 자기저항은 60 kOe 및 5 K에서도 포화되지 않아, 곡물 경계에서 지속적인 스핀 전환 산란이 존재함을 시사하며, 이는 주로 반위치 경계(APBs) 때문일 가능성이 높다.
• 결함 영역(APBs)의 부피는 잘 정렬된 곡립에 비해 작기 때문에, 곡립 내에서 강한 스핀 분극이 유지된다.
• 결과적으로, BFMO 박막은 이상적인 부품 자성 특성을 달성하지 못하더라도 스핀 분극 전도가 유지됨을 입증하였으며, 곡물 경계 산란을 최소화할 경우 스핀트로닉스 응용 분야에서 유망한 후보로 간주된다.