[논문 리뷰] Robust ferromagnetism in highly strained SrCoO3 thin films

Yujia Wang, Qing He외 16명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 29.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials인용 수 9

한 줄 요약

이 연구는 산화물의 산소 스토이키오메트리 유지를 위해 후처리 오존 소결을 통해 3.0%까지 인장 응력이 가해진 고응력 상태의 SrCoO3 투명막에서 강력한 강자성을 입증한다. 응력에 의해 유도된 금속-절연체 전이가 있음에도 불구하고 지속적인 강자성 기저 상태는 자성이 이동 전자보다 국소화된 전자에 기인함을 시사하며, 기존의 이중교환 메커니즘에 도전한다.

ABSTRACT

Epitaxial strain provides important pathways to control the magnetic and electronic states in transition metal oxides. However, the large strain is usually accompanied by a strong reduction of the oxygen vacancy formation energy, which hinders the direct manipulation of their intrinsic properties. Here using a post-deposition ozone annealing method, we obtained a series of oxygen stoichiometric SrCoO3 thin films with the tensile strain up to 3.0%. We observed a robust ferromagnetic ground state in all strained thin films, while interestingly the tensile strain triggers a distinct metal to insulator transition along with the increase of the tensile strain. The persistent ferromagnetic state across the electrical transition therefore suggests that the magnetic state is directly correlated with the localized electrons, rather than the itinerant ones, which then calls for further investigation of the intrinsic mechanism of this magnetic compound beyond the double-exchange mechanism.

연구 동기 및 목표

• 고인장 응력 하에서 산소 스토이키오메트리가 유지되는 SrCoO3 투명막을 안정화하여 자성 성질 연구를 수행하기 위해.
• 전이 금속 산화물에서 응력, 전자 구조 및 자성 간의 상호작용을 조사하기 위해.
• SrCoO3의 강자성이 이동 전자에 의해 유도되는지 아니면 국소 전자 상태에 의해 유도되는지 규명하기 위해.
• 상호작용 산화물에서 이중교환 모델을 초월한 본질적 자성 메커니즘을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 3.0%까지의 인장 응력을 유도하기 위해 비정합 기질 위에 에피택셜로 성장된 SrCoO3 투명막을 제작하였다.
• 산소 비공존 생성을 억제하고 산소 스토이키오메트리를 유지하기 위해 후처리 오존 소결을 시행하였다.
• X선 회절 및 고해상도 투과형 전자현미경을 통해 막의 품질과 응력 수준을 확인하였다.
• 각도 의존성 광전자분광법 및 전기적 전도도 측정을 통해 금속-절연체 전이를 탐색하였다.
• 자기 측정(SQUID)을 통해 모든 응력 수준에서 강자성 질서의 존재를 확인하였다.
• 이론적 분석을 통해 관측된 강자성에서 국소화된 전자와 이동 전자의 역할을 해석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SrCoO3 투명막에서 고인장 응력이 전자 재구성에도 불구하고 강자성 질서를 억제하거나 안정화하는가?
• RQ2 산소 스토이키오메트리가 큰 응력 조건에서 강자성의 안정성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 관측된 SrCoO3의 강자성은 이중교환 메커니즘에 의해 유도되는가, 아니면 국소화된 전자에 관여하는 다른 메커니즘에 의해 유도되는가?
• RQ4 인장 응력 하에서 금속에서 절연체로의 전자적 전이의 성격은 무엇이며, 어떻게 강자성과 공존하는가?
• RQ5 시스템이 Mott 유사 절연체 전이를 겪는 동안 강력한 강자성이 유지될 수 있는가?

주요 결과

• 3.0%까지의 인장 응력이 가해진 모든 SrCoO3 투명막에서 SQUID 측정을 통해 강력한 강자성 기저 상태가 확인되었다.
• 저온에서 저항도가 발산하는 경향을 보이며, 인장 응력 증가에 따라 명백한 금속-절연체 전이가 발생하였다.
• 모든 응력 범위에서 강자성 전이 온도가 안정적으로 유지되어 강력한 자성 안정성을 시사하였다.
• 오존 소결을 통해 산소 비공존이 성공적으로 억제되어, 본질적 전자 및 자성 성질에 필수적인 산소 스토이키오메트리가 유지되었다.
• 금속-절연체 전이 동안 강자성이 지속된다는 점은 자성이 이동 전자에 의해 매개되지 않고 국소화된 d 전자에 의해 결정된다는 것을 시사한다.
• 결과는 이중교환 모델을 초월하는 SrCoO3의 자성 메커니즘을 시사하며, 국소 상태에 관여하는 이중교환 유사 또는 초교환 메커니즘과 같은 대체 메커니즘을 지적한다.