[論文レビュー] New light on EuO thin films: preparation, transport, magnetism and spectroscopy of a ferromagnetic semiconductor

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

Physics of Superconductivity and Magnetism参考文献 1被引用数 10

ひとこと要約

本学位論文は、強磁性半導体における抵抗率と磁化の普遍的関係を確立する、EuO薄膜に関する包括的研究を提示している。分子線エpitaxial成長、インサイトス toward 観測、および輸送測定を組み合わせることで、Eu過剰なEuO薄膜における電気的導電度が、温度や外部磁場ではなくスピン極化5d-4f交換結合によって普遍的に支配されることを示した。これにより、Curie温度付近で1兆倍を超える巨大な抵抗変化が生じる。

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.

研究の動機と目的

• イオン的強磁性半導体のモデル系としてのEuO薄膜の電子的・磁気的・輸送的性質を理解すること。
• 5d-4f交換相互作用がEuOにおけるスピン極化および金属-絶縁体転移を媒介する役割を解明すること。
• 温度や外部磁場履歴に依存しない、Eu過剰なEuO薄膜における抵抗率と磁化の普遍的スケーリング則を確立すること。
• エピタキシャルEuO薄膜における化学 stoichiometry の制御と電子構造を達成・探査するための高度な成長・特性評価技術を開発すること。
• EuOにおける光学的・電子的・磁気的応答の相乗的相互作用を探索し、スピン依存輸送の根本的メカニズムを明らかにすること。

提案手法

• 過剰な europium のインサイト再蒸発を用いた分子線エpitaxial成長（MBE）により、EuO薄膜における正確な化学 stoichiometry の制御を実現した。
• 表面構造および成長ダイナミクスのモニタリングに、インサイト反射高エネルギー回折（RHEED）および低エネルギー回折（LEED）を適用した。
• 交差分裂およびハイブリダイゼーション効果をプローブするため、角度分解光電子分光法（ARPES）およびO K殻における磁気円二色性（MCD）を用いた。
• 温度および磁場依存の抵抗率、磁気抵抗、光起電力測定を実施し、金属-絶縁体転移を分析した。
• 空孔準位およびバンドシフトに関する実験データを解釈するため、ヘイゼンベルグ模型およびBMP（束縛磁気ポラロン）理論に基づく理論的モデリングを組み合わせた。
• 平均場モデルを用いて磁化を計算し、実験的抵抗率データと比較することで、普遍的スケーリング行動を明らかにした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 5d-4f交換相互作用は、どのようにEuO薄膜におけるスピン極化および抵抗率を支配するか？
• RQ2 Eu過剰なEuO薄膜における電気的抵抗率と磁化の普遍的関係は何か？
• RQ3 酸素空孔およびドーピングは、EuOの電子構造および輸送特性にどのように影響するか？
• RQ4 外部磁場および光照射は、どのようにEuOにおける金属-絶縁体転移を誘発するか？
• RQ5 Curie転移付近において、EuOの光学的応答は、その磁気的および電子的構造とどのように相関するか？

主な発見

• Eu過剰なEuO薄膜は、5dバンドと局在的4f状態の統合に起因し、強磁性転移付近で1兆倍を超える巨大な抵抗変化を示す。
• EuO薄膜における電気的抵抗率は、磁化のみによって普遍的に決定され、Curie温度以下に冷却して誘起された磁化であろうと、外部磁場を印加して誘起された磁化であろうと、温度や外部磁場履歴とは無関係である。
• 光起電力測定により、EuOにおける金属-絶縁体転移が5d-4f交換相互作用によって引き起こされ、5dバンドのシフトとスピン極化キャリアによる導電が可能になることが確認された。
• 角度分解光電子分光およびO K殻MCD分光により、5dバンドに顕著な交換分裂が観測され、エネルギーシフトが磁化に比例することが判明し、5d-4fハイブリダイゼーションの役割が裏付けられた。
• 温度依存の抵抗率曲線は、束縛磁気ポラロンおよび空孔準位形成に基づく理論モデルと良好に一致しており、BMPおよびヘイゼンベルグ模型の妥当性が検証された。
• 平均場アプローチによる磁化の理論的モデリングが、実験的抵抗率データを再現し、異なる試料条件下でも抵抗率と磁化の間の普遍的スケーリング関係を示した。