[논문 리뷰] (La1-xBax)(Zn1-xMnx)AsO: A Two Dimensional "1111" Diluted Magnetic Semiconductor in Bulk Form

Cui Ding, Huiyuan Man외 23명|arXiv (Cornell University)|2013. 06. 19.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 철아세나이드 초전도체와 유사한 다층 구조를 가진 두차원 '1111' 희석된 자성 반도체인 덩이질 (La₁₋ₓBaₓ)(Zn₁₋ₓMnₓ)AsO의 성공적인 합성을 보고한다. Ba 치환에 의한 정공 도핑과 Mn 도핑으로 인해 T_C ≈ 40 K에서 강자성 순서가 나타나며, 이는 마이오ൺ 스핀 회전 실험을 통해 샘플 전체 부피에서 균일한 자성 정렬이 있음을 확인하여, 철기반 초전도체와 직접적인 구조적 연관성을 가진 세 번째 덩이질 DMS 시스템임을 나타낸다.

ABSTRACT

We report the synthesis and characterization of a bulk diluted magnetic semiconductor (La1-xBax)(Zn1-xMnx)AsO (0 <= x <= 0.2) with a layered crystal structure identical to that of the "1111" FeAs superconductors. No ferromagnetic order occurs for (Zn,Mn) substitution in the parent compound LaZnAsO without charge doping. Together with carrier doping via (La,Ba) sub- stitution, a small amount of Mn substituting for Zn results in ferromagnetic order with TC up to ~40 K, although the system remains semiconducting. Muon spin relaxation measurements confirm the development of ferromagnetic order in the entire volume, with the relationship between the internal field and TC consistent with the trend found in (Ga,Mn)As, the "111" Li(Zn,Mn)As, and the "122" (Ba,K)(Zn,Mn)2As2 systems.

연구 동기 및 목표

• 철아세나이드 기반 초전도체와 유사한 결정 구조를 가진 덩이질 희석된 자성 반도체(DMS)를 개발하여 물질의 안정성과 탐사 적합성을 향상시키기.
• Ba 도핑에 의한 전하 운반자와 Mn 도핑에 의한 자화 모멘트 간의 상호작용이 반도체 기반에서 강자성을 유도하는 방식을 조사하기.
• 마이오ൺ 스핀 회전(μSR) 및 기타 자성 탐사 수단을 통해 덩이질 형태에서 균일한 강자성 순서 존재를 확인하기.
• 향후 스핀트로닉스 장치 응용을 위해 철아세나이드 초전도체와 그 DMS 유사체 간의 구조적 및 전자적 유사성을 확립하기.

제안 방법

• 1150 °C에서 40시간 동안 고체상 반응을 통해 다결정 (La₁₋ₓBaₓ)(Zn₁₋ₓMnₓ)AsO 샘플을 합성하였다.
• 상 순도 및 자성 전이를 확인하기 위해 X선 회절 및 SQUID 자화 측정을 사용하였다.
• 소결된 펠릿을 대상으로 네점법을 사용하여 전기적 저항을 측정하여 반도체 거동을 확인하였다.
• 저온에서 강자성 순서의 시작과 균일성을 탐사하기 위해 영자기장에서의 마이오ൺ 스핀 회전(ZF-μSR)을 적용하였다.
• μSR 데이터에서 2 K에서 내부 자기장 매개변수 (a_s)를 추출하여 다양한 DMS 시스템 간의 T_C와의 상관관계를 분석하였다.
• 기존의 DMS 시스템인 (Ga,Mn)As, Li(Zn,Mn)As, (Ba,K)(Zn,Mn)₂As₂와의 데이터 비교를 통해 교환 상호작용의 일반적 경향성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 철아세나이드 기반 초전도체와 동일한 결정 구조를 가진 덩이질, 이차원 '1111' 희석된 자성 반도체를 합성할 수 있는가?
• RQ2 LaZnAsO에서 Ba 치환에 의한 정공 도핑이 Mn 도핑과 조합될 경우, 원래의 불도핑 상태에서 강자성이 없더라도 강자성 순서가 유도되는가?
• RQ3 (La₁₋ₓBaₓ)(Zn₁₋ₓMnₓ)AsO에서의 강자성 순서가 마이오ൺ 스핀 회전 실험으로 확인된 바와 같이 샘플 전체 부피에 걸쳐 균일한가?
• RQ4 이 시스템에서 Curie 온도 T_C와 국소 자기장 매개변수 a_s 간의 관계는 다른 DMS 재료들과 비교해 볼 때 어떻게 되는가?
• RQ5 관측된 자성 및 전기적 성질이 구조적으로 유사한 DMS 시스템들 간에 동일한 기원을 가진 강자성 교환 상호작용을 나타내는가?

주요 결과

• 마이오ൺ 스핀 회전 측정을 통해 (La₁₋ₓBaₓ)(Zn₁₋ₓMnₓ)AsO에서 T_C가 약 40 K까지 도달하는 강자성 순서가 확립됨을 확인하였다.
• Mn 농도가 x = 0.20까지 유지되면서도 시스템은 반도체 성질을 유지하며, 뚜렷한 자성 히스테리시스와 약 1 T의 난이도가 관찰됨.
• 영자기장 μSR 측정을 통해 거의 전체 샘플 부피에서 정적 강자성 순서가 발달되었으며, 스핀 유리 행동의 증거는 없음.
• 잔류 자화는 Mn 원자당 약 1 보어 반지름 자화모멘트에 해당하여, 스핀 유리가 아닌 강자성 기저 상태임을 시사함.
• (Ga,Mn)As, Li(Zn,Mn)As, (Ba,K)(Zn,Mn)₂As₂ 및 본 연구의 (La,Ba)(Zn,Mn)AsO 시스템을 포함한 여러 DMS 시스템 간에 정적 내부 자기장 매개변수 a_s와 T_C 사이에 거의 선형 상관관계가 관찰됨.
• 일반적인 선형 경향은 이들 구조적으로 유사한 DMS 재료들 간에 유사한 크기의 강자성 교환 상호작용 기원이 공통으로 존재함을 시사한다.