[논문 리뷰] Multiphase segregation and metal-insulator transition in single crystal La(5/8-y)Pr(y)Ca(3/8)MnO3

V. Kiryukhin, B. G. Kim외 6명|arXiv (Cornell University)|2000. 07. 18.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 단일 결정 La₅/₈₋yPrᵧCa₃/₈MnO₃ (y ≈ 0.35)에서 절연체-금속 전이에 대해 수정된 퍼콜레이션 모델을 제안한다. 전이의 원인은 이전에 고려되지 않았던 비자화 절연체 상(I2) 내에서 자성 금속성 영역이 성장하기 때문이며, 전하 순서(CO) 상의 감소 때문이 아니다. T_MI ≈ 70 K에서 CO 피크에 이상 징후가 없음에도 불구하고 전기 저항이 급격히 감소하여 CO 상이 전이의 원인은 아니며, 저온에서 엑스선 조사가 CO 질서를 파괴하고 금속성을 유도함으로써 고온 및 저온 전이의 메커니즘이 다름을 시사한다.

ABSTRACT

The insulator-metal transition in single crystal La(5/8-y)Pr(y)Ca(3/8)MnO3 with y=0.35 was studied using synchrotron x-ray diffraction, electric resistivity, magnetic susceptibility, and specific heat measurements. Despite the dramatic drop in the resistivity at the insulator-metal transition temperature Tmi, the charge-ordering (CO) peaks exhibit no anomaly at this temperature and continue to grow below Tmi. Our data suggest then, that in addition to the CO phase, another insulating phase is present below Tco. In this picture, the insulator-metal transition is due to the changes within this latter phase. The CO phase does not appear to play a major role in this transition. We propose that a percolation-like insulator-metal transition occurs via the growth of ferromagnetic metallic domains within the parts of the sample that do not exhibit charge ordering. Finally, we find that the low-temperature phase-separated state is unstable against x-ray irradiation, which destroys the CO phase at low temperatures.

연구 동기 및 목표

• y ≈ 0.35인 단일 결정 La₅/₈₋yPrᵧCa₃/₈MnO₃에서 절연체-금속 전이의 미시적 기원을 이해하는 것.
• T_MI ≈ 70 K에서 전기 저항이 급격히 감소하는 데 반해, 이 온도 이하에서도 전하 순서(CO) 피크가 계속 성장하는 데서 발생하는 모순을 해결하는 것.
• T_CO ≈ 200 K 이하에서 존재하는 전하 순서 상, 자성 금속성 상 및 추가 절연체 상의 역할을 규명하는 것.
• 저온에서의 전도 경로 형성에 있어 격자 결함과 응력의 영향을 조사하는 것.
• 엑스선 조사가 전하 순서 상 및 금속성 상의 안정성에 미치는 영향을 조사하는 것.

제안 방법

• 온도에 따른 전하 및 궤도 순서를 조사하기 위해 동기광원 엑스선 회절을 수행하며, 피크 강도 및 상관 길이를 분석한다.
• T_MI ≈ 70 K에서 절연체-금속 전이를 추적하기 위해 전기 저항 측정을 수행한다.
• 자기적 및 전자적 전이를 특성화하기 위해 자화율 및 비열 측정을 수행한다.
• 저온에서의 상 분리 상태에 대한 엑스선 조사 영향을 분석하여 CO 안정성과 금속성의 발생 여부를 평가한다.
• 자화 데이터를 통한 자성 금속성 상의 부피 분율 추정으로, 일부 샘플에서 매우 낮은 비율(예: 2.5%)을 확인한다.
• 노미널 y ≈ 0.35인 여러 샘플 간의 상 행동을 비교하여 조성 및 제조 조건에 따른 변동성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 T_MI ≈ 70 K에서 전기 저항이 급격히 감소하는 데도 불구하고, 이 온도 이하에서 전하 순서 피크가 계속 성장하는 이유는 무엇인가?
• RQ2 T_CO ≈ 200 K 이하에서 전하 순서 상 및 자성 금속성 상과 공존하는 추가 절연체 상(I2)의 성질은 무엇인가?
• RQ3 매우 낮은 부피 분율의 자성 금속성 상(예: 2.5%)이 전기 저항을 2개 이상의 주기 이상 감소시킬 수 있는 이유는 무엇인가?
• RQ4 격자 결함과 응력은 자성 상 함량이 극히 적은 맹금산염에서 필라멘터리 전도 경로 형성에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 고온의 절연체-금속 전이와 저온에서 엑스선 유도 전이가 같은 미시적 메커니즘을 공유하는가?

주요 결과

• T_MI ≈ 70 K에서 전하 순서(CO) 상의 부피 분율은 감소하지 않으며, CO 피크 강도가 계속 증가하여 상의 감소가 일어나지 않음을 나타낸다.
• 절연체-금속 전이는 CO 상의 감소 때문이 아니라, 이전에 밝혀지지 않은 비자화 절연체 상(I2) 내 변화에 의해 유도된다.
• 일부 샘플에서 저온 자성 금속성 상의 부피 분율은 매우 낮다(예: 2.5%), 이는 필라멘터리 또는 퍼콜레이션 구조임을 시사한다.
• 저온에서 엑스선 조사가 CO 상태를 파괴하고 금속성을 유도함으로써, 저온에서의 광유도 전이가 고온 전이와 동일한 상을 포함하지 않을 수 있음을 시사한다.
• 절연체-금속 전이의 메커니즘은 단순히 CO 기반 매트릭스 내 자성 영역의 퍼콜레이션보다 더 복잡하며, 오히려 I2 상 내에서 금속성 영역이 성장하는 것을 포함한다.
• 격자 결함과 관련된 응력은 자성 상 함량이 극히 적은 샘플에서 전도 경로 형성에 결정적인 역할을 한다고 제안된다.