[论文解读] Indications of spin polarized transport in Ba$_2$FeMoO$_6$ thin films

Simon Granville, I. L. Farrell+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2017

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

一句话总结

本研究表明，尽管由于晶界缺陷导致Ba₂FeMoO₆（BFMO）薄膜的饱和磁化强度降低且磁阻未饱和，其晶粒中的自旋极化强度在约300 K以下仍表现强烈。通过反常霍尔效应和各向异性磁阻测量，作者证实了晶粒中存在半金属性行为，表明即使在非理想薄膜形态下，BFMO仍可作为自旋极化电流的可行来源。

ABSTRACT

We have investigated the magnetic and magnetotransport properties of Ba$_2$FeMoO$_6$ thin films produced by pulsed laser deposition from optimized bulk material. The films are comprised of grains of crystalline Ba$_2$FeMoO$_6$ with a disordered grain boundary region that lowers the net saturation magnetization of the film and prevents full magnetic alignment below a Curie temperature $T_C$$\sim$305 K. Magnetotransport measurements point to the Ba$_2$FeMoO$_6$ grains retaining the high spin polarization of a half-metal up to $T_C$, while the grain boundaries greatly reduce the spin polarization of the intergrain electrical current due to spin-flip scattering. Our results show that a strong spin polarization of the electronic charge carriers is present even in Ba$_2$FeMoO$_6$ films that do not show the ideal bulk magnetic character.

研究动机与目标

• 研究通过优化的块体靶材脉冲激光沉积法制备的Ba₂FeMoO₆薄膜的磁性和磁阻输运特性。
• 确定当BFMO薄膜未能实现体相类似磁性特性时，自旋极化输运是否依然存在。
• 从晶界缺陷的角度，阐明磁化强度降低和非饱和磁阻的成因。
• 评估BFMO薄膜作为自旋电子器件中高度自旋极化电流来源的潜力。
• 将电子输运行为与结构和磁性特征相关联，尤其关注居里温度附近（~305 K）的行为。

提出的方法

• 采用脉冲激光沉积（PLD）在晶格匹配的衬底上于高温下外延生长Ba₂FeMoO₆薄膜。
• 使用抗位缺陷浓度较低（3.4%）的块体靶材生长薄膜，在10 K时获得高达3.72 μB/f.u.的饱和磁化强度。
• 通过纵向磁阻和反常霍尔效应测量，探测自旋极化特性。
• 测量各向异性磁阻（AMR）以检测半金属性质，负号表明存在自旋极化输运。
• 利用X射线衍射和电阻率测量评估结构完整性和缺陷相关的势垒。
• 进行至5 K的温度依赖性测量，以评估磁性和输运特性的稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 与体相材料相比，Ba₂FeMoO₆薄膜在磁化强度降低的情况下，其自旋极化输运特性保留程度如何？
• RQ2 晶界和反相畴界（APBs）在降低磁阻和自旋极化中的作用是什么？
• RQ3 BFMO薄膜中负的各向异性磁阻（AMR）是否证实了晶粒中的半金属性行为？
• RQ4 磁有序温度（T_C ≈ 305 K）与自旋极化输运起始之间的相关性如何？
• RQ5 尽管存在晶粒间散射，BFMO薄膜能否作为自旋电子器件中自旋极化电流的可行来源？

主要发现

• Ba₂FeMoO₆薄膜的居里温度约为305 K，与体相材料的磁有序行为一致。
• 尽管饱和磁化强度降低（低于体相），薄膜仍表现出负的各向异性磁阻（AMR），表明晶粒中存在半金属性质。
• 反常霍尔效应在约250–300 K附近发生符号反转，与磁有序性的丧失同步，证实了在T_C以下存在强自旋极化。
• 纵向磁阻在60 kOe和5 K下仍未饱和，表明晶界处持续存在自旋翻转散射，可能源于反相畴界（APBs）。
• 缺陷区域（APBs）的体积远小于有序晶粒，使得晶粒内仍能维持强自旋极化。
• 结果表明，即使BFMO薄膜未能实现理想的体相磁性特性，其自旋极化输运仍能保持，若能减小晶界散射，将极具潜力应用于自旋电子学器件。