[论文解读] 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. Ганьшина+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 3, 2002

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials参考文献 11被引用 28

一句话总结

本研究在居里温度（~270 K）附近，于La_{0.67}Ca_{0.33}MnO_3薄膜中观察到红外（IR）光透过率出现1000倍的巨幅下降，其机理由顺磁相向铁磁有序的转变所驱动。该效应源于铁磁态下电阻率与趋肤深度的急剧降低，从而实现了对红外光透过率的强热与磁场调控，为红外光学器件（如调制器和光闸）的应用提供了可能。

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.

研究动机与目标

• 研究外延La_{0.67}Ca_{0.33}MnO_3薄膜在居里温度附近的磁性、输运与光学性质之间的关联。
• 通过测量红外透过率及磁致透过率的大幅变化，探索掺杂锰氧化物在红外光电设备中的潜力。
• 确定巨磁阻效应与铁磁相变在实现非机械式、场控光学开关中的可行性。
• 评估薄膜质量与结构有序性在实现接近室温相变附近巨大光学响应中的作用。

提出的方法

• 采用脉冲激光沉积（PLD）在(001)取向的LaAlO_3基底上，于600 °C、250 mTorr氧气压下生长厚度为150 nm的外延La_{0.67}Ca_{0.33}MnO_3薄膜。
• 在950 °C下进行25小时的退火处理，以提升结晶质量与氧化学计量比，XRD与AFM结果证实表面粗糙度均方根值<2 nm。
• 在80至295 K温度范围内，测量了0.12–1.0 eV能量范围（1240–12400 nm）的光学透过率与吸收率，同时施加垂直于薄膜平面的最大0.8 T磁场。
• 在0.5–3.8 eV能量范围内动态测量线性横向科顿效应（TKE），以探测磁致光学响应，并与磁性有序性进行关联。
• 通过公式δ ≈ (2ρ/μ₀ω)¹ᐟ²估算趋肤深度δ，建立电阻率与红外穿透深度及透过率变化之间的联系。
• 透过率T通过公式T = (1−R₁)(1−R₂)(1−R₁₂)exp(−Kd)计算，其中吸收系数K通过德鲁德模型与直流电导率关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 在La_{0.67}Ca_{0.33}MnO_3薄膜的铁磁相变附近，红外光透过率的变化幅度有多大？
• RQ2 在居里温度附近，磁致光学与输运性质如何与光学响应相关联？
• RQ3 铁磁态下趋肤深度的变化在多大程度上解释了观测到的透过率下降？
• RQ4 所观测到的巨大磁致透过率效应是否能够实现实际的红外光学器件应用？
• RQ5 实现掺杂锰氧化物中大范围光学开关所必需的材料特性（如均匀性、结晶质量）有哪些？

主要发现

• 在跨越居里温度（Tc ≈ 270 K）时，观察到红外光透过率出现1000倍的下降，6.4 μm波段的透过率从约10%降至约0.01%。
• 电阻率比值R(Tc)/R(4.2 K)约为48.6，但光学透过率的下降远为剧烈，表明电阻率与透过率之间存在非线性关系。
• 趋肤深度从T = Tc时的约486 nm降至4.2 K时的约70 nm，小于薄膜厚度（150 nm），解释了铁磁态下强烈的红外吸收。
• 观测到显著的磁致透过率变化（MT = [I(H)−I(0)]/I(0)），且该效应在Tc附近最强，类似于巨磁阻效应。
• 薄膜表现出高表面平整度（均方根粗糙度<2 nm）与高取向度，XRD与AFM结果证实，支持优异的光学与电子特性。
• 所观测到的巨大光学响应，结合居里温度接近270 K（接近室温），使该材料在实际红外光电设备（如调制器与光闸）中具有高度适用性。