[论文解读] Direct Imaging Revealing Halved Ferromagnetism in Tensile-Strained LaCoO3 Thin Films

Qiyuan Feng, Dechao Meng+10 more|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2019

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用 3

一句话总结

本研究利用低温磁力显微镜（MFM）直接观测了拉伸应变LaCoO3薄膜中的铁磁相分离，发现在低至4.5 K的温度和高达13.4 T的磁场下，仅有约50%的薄膜区域呈现铁磁性。研究结果表明，即使在居里温度以上20 K时，亚微米级铁磁液滴仍能持续存在，暗示存在格里菲斯相，对现有应变氧化物异质结构中涌现铁磁性的理论模型提出了挑战。

ABSTRACT

The enigma of the emergent ferromagnetic state in tensile-strained LaCoO3 thin films remains to be explored because of the lack of a well agreed explanation. The direct magnetic imaging technique using a low-temperature magnetic force microscope (MFM) is critical to reveal new aspects of the ferromagnetism by investigating the lateral magnetic phase distribution. Here we show the experimental demonstration of the rare halved occupation of the ferromagnetic state in tensile-strained LaCoO3 thin films on SrTiO3 substrates using the MFM. The films have uniformly strained lattice structure and minimal oxygen vacancies (less than 2%) beyond the measurement limit. It is found that percolated ferromagnetic regions with typical sizes between 100 nm and 200 nm occupy about 50% of the entire film, even down to the lowest achievable temperature of 4.5 K and up to the largest magnetic field of 13.4 T. Preformed ferromagnetic droplets were still observed when the temperature is 20 K above the Curie temperature indicating the existence of possible Griffiths phase. Our study demonstrated a sub-micron level phase separation in high quality LaCoO3 thin films, which has substantial implications in revealing the intrinsic nature of the emergent ferromagnetism.

研究动机与目标

• 解决拉伸应变LaCoO3薄膜中涌现铁磁性的未解之源。
• 在纳米尺度上直接可视化铁磁相的空间分布与稳定性。
• 探究相分离或非均匀磁序是否为观测到的铁磁性的根源。
• 确定高质量、低氧空位薄膜中铁磁区域的温度与磁场依赖性。
• 通过分析居里温度以上的铁磁液滴，探索格里菲斯相的存在。

提出的方法

• 采用低温磁力显微镜（MFM）在低至4.5 K的温度下成像磁畴。
• 在SrTiO3基底上外延生长高质量LaCoO3薄膜，氧空位浓度低于2%，以最小化非本征效应。
• 薄膜呈现均匀拉伸应变，从而将本征磁行为与晶格或缺陷效应分离。
• 在一系列温度（低至4.5 K）和磁场（高达13.4 T）下进行磁成像。
• 通过分析居里温度以上铁磁液滴的持续存在，探测格里菲斯相。
• 通过测量铁磁区域所占的面积分数，量化相分离程度。

实验结果

研究问题

• RQ1 拉伸应变LaCoO3薄膜中铁磁有序的空间分布与范围如何？
• RQ2 铁磁相分数如何随温度和磁场变化？
• RQ3 铁磁液滴是否在居里温度以上仍能持续存在，提示可能存在格里菲斯相？
• RQ4 观测到的铁磁性在多大程度上受相分离影响，而非均匀磁性？
• RQ5 本征晶格应变与低缺陷浓度在稳定铁磁态中起何种作用？

主要发现

• 铁磁区域约占薄膜面积的50%，典型尺寸在100 nm至200 nm之间。
• 连通的铁磁结构域在4.5 K下以及高达13.4 T的磁场下保持稳定。
• 即使在居里温度以上20 K时，铁磁液滴仍能持续存在，表明存在格里菲斯相。
• 薄膜中氧空位浓度极低（<2%），证实其结构与化学质量优异。
• 观察到亚微米尺度的相分离，表明磁基态中存在本征非均匀性。
• 研究结果挑战了铁磁性的均匀模型，支持在应变LaCoO3中存在纳米尺度相分离的机制。