[논문 리뷰] New light on EuO thin films: preparation, transport, magnetism and spectroscopy of a ferromagnetic semiconductor

Peter G. Steeneken|arXiv (Cornell University)|2012. 03. 30.

Physics of Superconductivity and Magnetism참고 문헌 1인용 수 10

한 줄 요약

이 학위논문은 이온성 페로자성 반도체의 모델 시스템으로서 EuO 박막의 종합적인 연구를 제시하며, 페로자성 반도체에서 저항도와 자화의 보편적 관계를 수립한다. 분자비임프레션 에피택시(EBE) 성장, 인사이트 스펙트로스코피, 그리고 전기적 성질 측정을 융합함으로써, 유리 빈도가 높은 EuO 박막에서 전기적 전도도가 온도나 외부 자기장이 아닌 자화에 의해 보편적으로 결정됨을 입증한다. 이는 스핀 분극 5d-4f 교환 상호작용으로 인해 발생하며, 이로 인해 큐리 온도 근처에서 저항도가 1조 배 이상 변화함을 보여준다.

ABSTRACT

This PhD thesis presents a study of the ferromagnetic semiconductor EuO. Chapter 1 gives a general introduction, chapter 2 presents a calculation of the magneto-optical spectrum. Chapter 3 deals with the epitaxial growth of EuO thin films by MBE. In chapter 4 experiments are used to study the spin-resolved band-structure. Chapter 5 discusses the temperature dependent X-ray absorption spectrum of EuO and chapter 6 studies its magenetic circular dichroism spectrum. Chapter 7 discusses magnetotransport and phototransport measurement and theory on EuO. Chapter 8 deals with the nature of doping in the high-Tc cuprates. This work was supervised by G.A. Sawatzky and L.H. Tjeng.

연구 동기 및 목표

• 이온성 페로자성 반도체의 모델 시스템으로서 EuO 박막의 전자적, 자성적, 전기적 성질을 이해한다.
• 5d-4f 교환 상호작용이 EuO에서 스핀 분극과 금속-절연체 전이를 어떻게 매개하는지 밝힌다.
• 열적 또는 자기장 역사와 무관하게, 유리 빈도가 높은 EuO 박막에서 저항도와 자화 사이의 보편적 스케일링 법칙을 수립한다.
• 상태식 제어와 에피택시 EuO 박막의 전자 구조를 달성하고 탐지하기 위한 고도화된 성장 및 특성 분석 기법을 개발한다.
• EuO에서 광학적, 전자적, 자성 반응의 상호작용을 탐색하여 스핀 의존 전도의 기본 메커니즘을 밝힌다.

제안 방법

• 과잉 europium을 재증발하는 인사이트 분자비임프레션 에피택시(MBE)를 사용하여 EuO 박막에서 정확한 스토이키오메트리 제어를 달성하였다.
• 표면 구조와 성장 동역학을 모니터링하기 위해 인사이트 반사 고에너지 전자 회절(RHEED)과 저에너지 전자 회절(LEED)을 적용하였다.
• O K-edge에서의 각도 해상도 광전자 스펙트로스코피(ARPES)와 자기원형 투과도 차이(MCD)를 사용하여 교환 분리 및 혼성화 효과를 탐사하였다.
• 온도 및 자기장 의존성 저항도, 자기저항도, 광전도도 측정을 통해 금속-절연체 전이를 분석하였다.
• 빈도 수준과 밴드 이동을 설명하는 실험 데이터를 해석하기 위해 헤이젠베르크 모델과 BMP(결합된 자기폴라론) 이론 기반의 이론적 모델링을 통합하였다.
• 평균장 모델을 사용하여 자화를 계산하고 실험적 저항도 데이터와 비교함으로써 보편적 스케일링 행동을 밝혀내었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 5d-4f 교환 상호작용은 EuO 박막에서 스핀 분극과 저항도를 어떻게 지배하는가?
• RQ2 유리 빈도가 높은 EuO 박막에서 전기적 저항도와 자화 사이의 보편적 관계는 무엇인가?
• RQ3 산소 빈도와 도핑은 EuO의 전자 구조와 전기적 성질에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 외부 자기장과 빛 조사가 EuO에서 금속-절연체 전이를 유도하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 큐리 전이를 기준으로 EuO의 광학적 반응은 그 자성 및 전자 구조와 어떻게 관련되어 있는가?

주요 결과

• 유리 빈도가 높은 EuO 박막은 페로자성 전이 근처에서 1조 배 이상의 초거대 저항도 변화를 나타내며, 이는 5d 밴드가 국소화된 4f 상태와 융합됨에 따라 발생한다.
• EuO 박막에서 전기적 저항도는 자화에 의해 보편적으로 결정되며, 자화가 T_C 이하로 냉각되면서 유도되든 외부 자기장을 적용함으로써 유도되든 간주하지 않는다.
• 광전도도 측정 결과는 EuO의 금속-절연체 전이가 5d-4f 교환 상호작용에 의해 유도되며, 이로 인해 5d 밴드가 이동하고 스핀 분극 전자들이 전도를 가능하게 한다는 것을 확인한다.
• 각도 해상도 광전자 스펙트로스코피와 O K-edge MCD 스펙트로스코피는 5d 밴드에서 강한 교환 분리가 발생함을 드러내며, 에너지 이동은 자화 비례로 나타나 5d-4f 혼성화의 역할을 확인한다.
• 온도 의존 저항도 곡선은 결합된 자기폴라론과 빈도 수준 형성 기반의 이론 모델과 뛰어난 일치를 보이며 BMP 및 He-모델의 타당성을 입증한다.
• 평균장 접근법을 사용한 자화 이론 모델링은 실험적 저항도 데이터를 재현하며, 다양한 샘플 조건에서 저항도와 자화 사이의 보편적 스케일링 관계를 입증한다.