[논문 리뷰] Influence of Cu on spin-polaron tunneling in the ferromagnetic state of La(2/3)Ca(1/3)Mn(1-x)Cu(x)O(3) from the resistivity data

S. Sergeenkov, Hassan Bougrine외 2명|arXiv (Cornell University)|1999. 01. 25.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materialsMaterials Science참고 문헌 13인용 수 19

한 줄 요약

이 연구는 La₂/₃Ca₁/₃Mn₁₋ₓCuₓO₃에서 4% 구리 도핑이 강자성 상태에서 전기저항을 약 50% 감소시킴을 보여주며, 이는 스핀-폴라론 터널링 에너지 Eσ(x) ≈ Eσ(0)(1−x)⁴의 감소로 기인한다. 전기저항은 ρ(T,x) = ρ₀e⁻ᵞᴹ²⁽ᵀ,ˣ⁾ 형태의 비열적 응집 터널링 모델로 잘 기술되며, 자화 M(T,x) = Mᵣ(x) + M₀(x)tanh{√[(T_C(x)/T)²−1]}로 표현되며, 이는 폴라론 에너지의 도핑에 의한 억제와 강화된 운반자 상관 길이를 드러내는 정량적 피팅을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Nearly a 50% decrease of resistivity ρ(T,x) due to just 4% Cu doping on the Mn site of La(2/3)Ca(1/3)Mn(1-x)Cu(x)O(3) is observed. Attributing the observed phenomenon to the substitution induced decrease of the spin polaron energy E_s(x) below the Curie point T_C(x)=T_C(0)(1-x), all data are found to be well fitted by the nonthermal coherent tunneling expression ρ(T,x) = ρ_0*exp(-γM^2(T,x)) assuming M(T,x)=M_R(x)+M_0(x)*tanh{\sqrt{[T_C(x)/T]^2-1}} for the magnetization in the ferromagnetic state. The best fits through all the data points yield M_0(x)= \sqrt(1-x)M_0(0), M_R(x)=\sqrt(x)M_0(0), and E_s(x)=E_s(0)(1-x)^4 for the Cu induced modifications of the Mn spins dominated zero-temperature spontaneous magnetization, the residual paramagnetic contribution, and spin-polaron energy, respectively, with E_s(0)=0.12 eV.

연구 동기 및 목표

• Cu 도핑의 비율이 매우 낮음에도 불구하고 La₂/₃Ca₁/₃MnO₃에서 전기저항이 급격히 감소하는 원인을 이해하는 것.
• Cu 치환에 의한 Mn 자리에서의 구조적, 전자적, 자성적 변화가 전기저항 변화에 기여하는지 규명하는 것.
• 전기저항 거동이 스핀 폴라론을 포함한 비열적 응집 터널링 메커니즘으로 설명될 수 있는지 시험하는 것.
• 전기저항 데이터로부터 스핀-폴라론 터널링 에너지 Eσ(x) 및 자화 성분의 도핑 의존성을 추출하는 것.

제안 방법

• x = 0 및 x = 0.04 표본에 대해 20–300 K 범위에서 사절법을 사용하여 전기저항 ρ(T,x)를 측정하였다.
• 전기저항 데이터는 비열적 터널링 식 ρ(T,x) = ρ₀e⁻ᵞᴹ²⁽ᵀ,ˣ⁾으로 피팅하였으며, 여기서 M(T,x)는 강자성 상태에서의 자화이다.
• 자화는 M(T,x) = Mᵣ(x) + M₀(x)tanh{√[(T_C(x)/T)²−1]}로 모델링하여 자발적 및 잔류 반자성 기여를 표현하였다.
• 모델의 매개변수 ρ₀, γ, M₀(x), Mᵣ(x)는 모든 데이터 포인트에 대한 글로벌 피팅을 통해 추출되었다.
• 상관 길이 L(M) ∝ 1/M²로부터 스핀-폴라론 터널링 에너지 Eσ(x)는 L⁻²에 비례함을 유도하였다.
• 예측된 T_C 및 T→0에서의 전기저항을 실험 데이터와 비교하여 모델의 물리적 일관성을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Mn 자리에 4% 구리 도핑이 강자성 상태에서 La₂/₃Ca₁/₃Mn₁₋ₓCuₓO₃의 전기저항에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 관측된 전기저항 감소는 스핀 폴라론의 비열적 응집 터널링 메커니즘으로 설명될 수 있는가?
• RQ3 스핀-폴라론 터널링 에너지 Eσ(x)의 도핑 의존성은 무엇이며, 자화 성분과의 관계는 어떠한가?
• RQ4 구조적 변화가 관측되지 않음에도 불구하고 이러한 소량의 구리 도핑이 전기저항에 급격한 변화를 유도하는 이유는 무엇인가?
• RQ5 T_C 및 T→0 범위에서의 모든 온도 및 도핑 수준에서 자화 모델 M(T,x) = Mᵣ(x) + M₀(x)tanh{√[(T_C(x)/T)²−1]}이 전기저항 데이터와 일관성이 있는가?

주요 결과

• XRD나 미세 분석을 통해 구조적 변화가 확인되지 않은 상태에서 4% 구리 도핑으로 인해 전기저항이 50% 감소함을 관측하였다.
• 전기저항 데이터는 ρ(T,x) = ρ₀e⁻ᵞᴹ²⁽ᵀ,ˣ⁾ 및 M(T,x) = Mᵣ(x) + M₀(x)tanh{√[(T_C(x)/T)²−1]}로 잘 피팅된다.
• 잔류 반자성 기여 Mᵣ(x)는 √x M₀(0) 비례하며, 자발 자화 M₀(x)는 √(1−x) M₀(0) 비례한다.
• 스핀-폴라론 터널링 에너지는 Eσ(x) ≈ Eσ(0)(1−x)⁴로 감소하며, Eσ(0) ≈ 0.12 eV 이고 폴라론 크기 2R ≈ 10 Å이다.
• 모델은 T_C 및 T→0에서의 전기저항을 높은 일관성으로 예측하여 해석의 자기 일관성을 확인하였다.
• 유사한 망간산염에서 Co 도핑 경향과 일치하며, 전이 금속 도핑이 폴라론 터널링 장벽을 억제하는 데 보편적인 역할을 한다는 것을 뒷받침한다.