[논문 리뷰] Stress deformations and structural quenching in Sm0.5Ca0.5MnO3 thin films allow a huge decrease of the charge order melting magnetic field

Erwan Rauwel, W. Prellier외 3명|arXiv (Cornell University)|2005. 09. 28.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 (100)-SrTiO3 및 (100)-LaAlO3 기질 상에 에pitaxial으로 성장한 Sm0.5Ca0.5MnO3 투명막에서 기질 유도된 면내 격자 불일치로 인해 구조적 변형과 격자 냉각 현상이 발생함에 따라, 낮은 온도에서 전하 순서 상태를 녹이는데 필요한 자장이 약 10 T까지 크게 감소함을 보여준다. 이는 전하 순서 형성의 완전한 억제를 유도하는 운동적 고착된 구조적 응력에 기인하며, 열적 격자 변화 없이도 장기적인 전하 순서가 형성되지 않음을 의미한다.

ABSTRACT

Thin films of Sm0.5Ca0.5MnO3 manganites with charge ordering (CO) properties and colossal magnetoresistance were synthesized by pulsed laser deposition technique on (100)-SrTiO3 and (100)-LaAlO3 substrates. We first compare the structural modifications as function of the substrate and film thickness. Secondly, measuring transport properties in magnetic fields up to 24T, we establish the temperature-field phase diagram describing the stability of the CO state and compare it to bulk material. We show that some structural modification induced by the substrate occurs and that the CO melting magnetic field is greatly reduced. Moreover, with the temperature decrease, no modification of the lattice parameters is observed. We then propose an explanation based on the quenching of the unit cell of the film that adopts the in-plane lattice parameters of the substrate and thus, prevents the complete growth of the CO state at low temperature.

연구 동기 및 목표

• 기질에 의한 응력과 구조적 변형이 Sm0.5Ca0.5MnO3 투명막의 전하 순서 안정성에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 격자 불일치와 필름 두께가 구조적 및 전자적 성질에 미치는 역할을 규명하는 것.
• 투명막에서 관측된 전하 순서 녹기 자장 감소 현상을 막과 비교하여 설명하는 것.

제안 방법

• Pulsed laser deposition를 사용하여 (100)-SrTiO3 및 (100)-LaAlO3 기질 상에 에pitaxial Sm0.5Ca0.5MnO3 투명막을 성장시켰다.
• 필름 두께와 기질 격자 상수와의 연관성을 분석하기 위해 구조적 특성 분석을 수행하였다.
• 전하 순서 상태의 온도-자장 상도를 그림으로 그릴 수 있도록 최대 24 T의 자기장에서 전기적 성질 측정을 실시하였다.
• 온도에 따른 격자 상수 변화를 모니터링하여 구조적 안정성과 응력 완화 정도를 평가하였다.
• 필름이 기질의 면내 격자 상수를 고정하고 균형 상태로의 완전한 완화를 이루지 못함에 따라 전하 순서가 억제되는 메커니즘을 설명하는 모델을 수립하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기질 격자 불일치는 Sm0.5Ca0.5MnO3 투명막에서 전하 순서 안정성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 왜 투명막에서는 막과 비교해 전하 순서 녹기 자장이 현저히 감소하는가?
• RQ3 온도에 따른 격자 상수 변화는 이 필름에서 전하 순서 억제와 관련이 있는가?
• RQ4 구조적 냉각이 낮은 온도에서 전하 순서의 완전한 발달을 어느 정도 억제하는가?
• RQ5 에피택셜 성장에 의한 응력 공학을 통해 전하 순서를 녹이는데 필요한 자장을 조절할 수 있는가?

주요 결과

• Sm0.5Ca0.5MnO3 투명막에서 전하 순서 녹기 자장은 낮은 온도에서 약 10 T로 감소하였으며, 막과 비교해 현저히 낮다.
• 온도 감소에 따른 격자 상수 변화는 측정되지 않아, 구조적 응력이 열역학적 완화 없이 운동적으로 고착되어 있음을 시사한다.
• 녹기 자장 감소는 필름이 기질의 면내 격자 상수를 취하고 균형 상태로의 완전한 완화를 이룰 수 없음으로써 발생하는 구조적 냉각 현상에 기인한다.
• 전하 순서 억제는 열적 격자 효과가 아니라 응력 유도 변형의 운동적 고착에 기인한다.
• 상도 분석 결과, 에피택셜 응력으로 인해 투명막에서는 막보다 훨씬 낮은 자기장에서 전하 순서 상태가 불안정해짐을 확인하였다.
• 이 효과는 SrTiO3 및 LaAlO3를 포함한 다양한 기질에서 동일하게 관측되어, 격자 불일치와 냉각 현상에 기반한 일반적인 메커니즘임을 시사한다.