[論文レビュー] (La1-xBax)(Zn1-xMnx)AsO: A Two Dimensional "1111" Diluted Magnetic Semiconductor in Bulk Form

Cui Ding, Huiyuan Man+23 more|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2013

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、鉄砷酸化物超伝導体に類縁する層状結晶構造を有する二次元的「1111」系希釈磁性半導体である、バルク状 (La₁₋ₓBaₓ)(Zn₁₋ₓMnₓ)AsO の合成に成功した。Ba置換による空孔ドーピングとMnドーピングにより、T_C ≈ 40 K で強磁性秩序が出現し、μスピン緩和測定によりサンプル全体にわたる均一な磁性秩序が確認された。これは鉄基超伝導体と直接的な構造的関連を持つ、3番目のバルク状DMS系である。

ABSTRACT

We report the synthesis and characterization of a bulk diluted magnetic semiconductor (La1-xBax)(Zn1-xMnx)AsO (0 <= x <= 0.2) with a layered crystal structure identical to that of the "1111" FeAs superconductors. No ferromagnetic order occurs for (Zn,Mn) substitution in the parent compound LaZnAsO without charge doping. Together with carrier doping via (La,Ba) sub- stitution, a small amount of Mn substituting for Zn results in ferromagnetic order with TC up to ~40 K, although the system remains semiconducting. Muon spin relaxation measurements confirm the development of ferromagnetic order in the entire volume, with the relationship between the internal field and TC consistent with the trend found in (Ga,Mn)As, the "111" Li(Zn,Mn)As, and the "122" (Ba,K)(Zn,Mn)2As2 systems.

研究の動機と目的

• 鉄砒素酸化物超伝導体に類縁する結晶構造を有するバルク状希釈磁性半導体（DMS）の開発を目的とし、材料の安定性とプローブ適合性を向上させること。
• ドーピングによるキャリア（Baによる空孔ドーピング）と磁性モーメント（Mnドーピング）の相乗作用が、半導体母体内に強磁性を誘起するメカニズムを解明すること。
• μスピン緩和（μSR）および他の磁性プローブを用いて、バルク状態における均一な強磁性秩序の存在を確認すること。
• 将来のスピントロニクス素子応用を踏まえて、鉄砒素酸化物超伝導体とそのDMS類縁体との間の構造的・電子的類似性を確立すること。

提案手法

• 多結晶 (La₁₋ₓBaₓ)(Zn₁₋ₓMnₓ)AsO サンプルは、1150 °C で40時間、ゆっくり冷却しながら固体反応法により合成された。
• 相純度および磁性転移の確認には、X線回折およびSQUID磁化測定が用いられた。
• 電気的抵抗率は、焼結ペレットを用いた4端子法により測定され、半導体的挙動の確認がなされた。
• 低温における強磁性秩序の発生および均一性を調べるため、ゼロ磁場μスピン緩和（ZF-μSR）が用いられた。
• μSRデータから2 Kにおける内部磁場パラメータ a_s を抽出し、異なるDMS系における T_C と照らし合わせた。
• 既存のDMS系（Ga,Mn）As、Li(Zn,Mn)As、(Ba,K)(Zn,Mn)₂As₂ と比較することで、交換相互作用に関する普遍的傾向を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 鉄砒素酸化物超伝導体と同一の結晶構造を有するバルク状二次元的「1111」系希釈磁性半導体を合成可能か？
• RQ2 LaZnAsOにおけるBa置換による空孔ドーピングとMnドーピングを併用することで、母体化合物に強磁性が存在しないにもかかわらず、強磁性秩序が誘起可能か？
• RQ3 (La₁₋ₓBaₓ)(Zn₁₋ₓMnₓ)AsOにおける強磁性秩序は、μSRにより確認されたように、サンプル全体にわたって均一か？
• RQ4 本系におけるCurie温度 T_C と局所的磁場パラメータ a_s の関係は、他のDMS材料と比較してどうなっているか？
• RQ5 観察された磁性および輸送特性は、構造的に類縁するDMS系において、強磁性交換相互作用が共通の起源を持つことを示唆するか？

主な発見

• μスピン緩和測定により、(La₁₋ₓBaₓ)(Zn₁₋ₓMnₓ)AsO において Curie 温度 T_C が最大約40 K まで上昇する強磁性秩序が確立された。
• Mn濃度が x = 0.20 までにわたり、半導体的性質を維持しており、顕著な磁気ヒステリシスと約1 T のコercive場を示した。
• ゼロ磁場μスピン緩和測定により、ほぼ全サンプル体積にわたって静的強磁性秩序が発達していることが確認され、スピンガラス的挙動の兆候は認められなかった。
• 残留磁化はMn原子1個あたり約1ボーア磁磁気モーメントであり、スピンガラスではなく強磁性基底状態であることが示された。
• (Ga,Mn)As、Li(Zn,Mn)As、(Ba,K)(Zn,Mn)₂As₂、および本研究の (La,Ba)(Zn,Mn)AsO といった複数のDMS系において、静的内部磁場パラメータ a_s と T_C のほぼ線形相関が観察された。
• 普遍的な線形傾向が示されたことから、構造的に類縁するDMS材料において、同程度の大きさを有する共通の起源からの強磁性交換相互作用が存在することが示唆された。