[논문 리뷰] Giant change in IR light transmission in La_{0.67}Ca_{0.33}MnO_{3} film near the Curie temperature: promising application in optical devices

Yu. P. Sukhorukov, Е. А. Ганьшина외 6명|arXiv (Cornell University)|2002. 02. 03.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials참고 문헌 11인용 수 28

한 줄 요약

이 연구는 라운드산화마그네슘계 산화물 La_{0.67}Ca_{0.33}MnO_3 필름이 그 스위치 전이 온도(약 270 K) 근처에서 적외선(IR) 투과도가 1000배 감소하는 것을 입증한다. 이는 비자화상태에서 자화상태로의 전이에 의해 유도되며, 자화상태에서 저항성과 피부 깊이의 급격한 감소로 인해 열 및 자기장에 의한 강력한 IR 투과도 제어가 가능하다. 이는 모듈레이터 및 실링 장치와 같은 IR 광학 장치에의 잠재적 응용 가능성을 시사한다.

ABSTRACT

Transport, magnetic, magneto-optical (Kerr effect) and optical (light absorption) properties have been studied in an oriented polycrystalline La_{0.67}Ca_{0.33}MnO_{3} film which shows colossal magneto-resistance. The correlations between these properties are presented. A giant change in IR light transmission (more than a 1000-fold decrease) is observed on crossing the Curie temperature (about 270 K) from high to low temperature. Large changes in transmittance in a magnetic field were observed as well. The giant changes in transmittance and the large magneto-transmittance can be used for development of IR optoelectronic devices controlled by thermal and magnetic fields. Required material characteristics of doped manganites for these devices are discussed.

연구 동기 및 목표

• 에피택시얼 La_{0.67}Ca_{0.33}MnO_3 필름에서 스위치 전이 온도 근처에서 자화, 전도성 및 광학적 성질 간의 상관관계를 조사하기 위해.
• IR 투과도 및 자화-투과도의 큰 변화를 측정하여 도핑된 망간산염이 IR 광전자 장치에 활용될 잠재력을 탐색하기 위해.
• 거대 자기저항 및 자화 전이를 이용한 기계적 요소 없이 자기장 제어가 가능한 광학 스위칭의 가능성을 규명하기 위해.
• 고온에서의 전이 근처에서 거대한 광학 반응을 가능하게 하는 필름 품질과 구조적 질서의 역할을 평가하기 위해.

제안 방법

• 150 nm 두께의 에피택시얼 La_{0.67}Ca_{0.33}MnO_3 필름은 600 °C에서 250 mTorr 산소 압력 하에서 펄스 레이저 증착(PLD)을 이용해 (001) LaAlO_3 기질에 성장시켰다.
• 950 °C에서 25시간 동안 후처리 열처리를 통해 결정성과 산소 스토이히오메트리가 향상되었으며, X선 회절(XRD)과 원자력 현미경(AFM)을 통해 표면 거칠기(rms) <2 nm로 확인되었다.
• 80에서 295 K 범위에서 0.12–1.0 eV(1240–12400 nm) 영역에서 광학적 투과도 및 흡수도를 측정하였으며, 필름 평면에 수직 방향으로 최대 0.8 T의 자기장을 적용하였다.
• 선형 횡방향 케르 효과(TKE)는 0.5–3.8 eV 범위에서 동적으로 측정되어 자화-광학 반응을 분석하고 자화 상태와의 상관관계를 규명하였다.
• 피부 깊이 δ는 δ ≈ (2ρ/μ₀ω)¹ᐟ² 공식을 사용하여 추정되었으며, 이는 저항성과 IR 침투 및 투과도 변화 간의 연결 고리를 제공한다.
• 투과도 T는 T = (1−R₁)(1−R₂)(1−R₁₂)exp(−Kd) 공식을 통해 계산되었으며, 흡수 계수 K는 드루드 모델을 통해 직류 전도도와 관련지어졌다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 La_{0.67}Ca_{0.33}MnO_3 필름에서 자화 전이 근처에서 IR 빛 투과도 변화의 크기는 어느 정도인가?
• RQ2 자화-광학 및 전도성 성질이 스위치 전이 온도 근처에서 광학 반응과 어떻게 상관관계가 있는가?
• RQ3 자화 상태에서 피부 깊이의 변화가 관측된 투과도 감소를 어느 정도 설명하는가?
• RQ4 관측된 거대한 자화-투과도 효과는 실용적인 IR 광학 장치를 가능하게 하는가?
• RQ5 큰 광학 스위칭을 달성하기 위해 필수적인 재료적 특성(예: 균일성, 결정성)은 무엇인가?

주요 결과

• 스위치 전이 온도(Tc ≈ 270 K)를 초월할 때 IR 빛 투과도가 1000배 감소하는 현상이 관측되었으며, 6.4 μm 범위에서 투과도가 약 10%에서 약 0.01%로 감소하였다.
• Tc에서의 저항비 R(Tc)/R(4.2 K)는 약 48.6이었지만, 광학적 투과도 감소는 훨씬 더 극적이라, 저항성과 투과도 사이에 비선형 관계가 있음을 시사한다.
• 피부 깊이는 T = Tc일 때 약 486 nm에서 4.2 K일 때 약 70 nm로 감소하여 필름 두께(150 nm)보다 작아졌으며, 이는 자화 상태에서 강한 IR 흡수를 설명한다.
• 큰 자화-투과도 변화(MT = [I(H)−I(0)]/I(0))가 관측되었으며, 이 효과는 Tc 근처에서 가장 강력했으며, 거대 자기저항과 유사하였다.
• 표면 평탄도가 높았고, rms <2 nm였으며, XRD와 AFM를 통해 고도의 축방향 정렬이 확인되어 고품질의 광학적 및 전자적 성질을 지닌 것으로 확인되었다.
• 관측된 거대한 광학 반응과 함께 Tc가 약 270 K(실온에 가까운 온도)이므로, 이 물질은 모듈레이터 및 광학 실링 장치와 같은 실용적인 IR 광전자 장치에 매우 적합하다.