[论文解读] 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 10

一句话总结

本论文对EuO薄膜开展了全面研究，建立了铁磁半导体中电阻率与磁化强度之间的普遍关系。通过结合分子束外延生长、原位光谱分析与输运测量，研究发现，在Eu富集的EuO薄膜中，电导率普遍由磁化强度决定，而非温度或外磁场，这是由于自旋极化的5d-4f交换耦合所致，导致在居里温度附近电阻率变化超过一万亿倍。

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.

研究动机与目标

• 理解EuO薄膜的电子、磁性与输运性质，作为离子型铁磁半导体的模型体系。
• 阐明5d-4f交换相互作用在调控EuO中自旋极化与金属-绝缘体转变中的作用。
• 建立富Eu的EuO薄膜中电阻率与磁化强度之间的普遍标度律，且独立于热历史或磁场历史。
• 发展先进的生长与表征技术，以实现外延EuO薄膜中化学计量比的精确控制与电子结构的探测。
• 探索EuO中光学、电子与磁响应之间的相互作用，揭示自旋依赖输运的基本机制。

提出的方法

• 采用分子束外延（MBE）技术，并通过原位再蒸发过量铕，实现对EuO薄膜化学计量比的精确控制。
• 应用原位反射高能电子衍射（RHEED）与低能电子衍射（LEED），监测表面结构与生长动力学。
• 采用角分辨光电子能谱（ARPES）与O K边磁圆二色性（MCD）技术，探测交换能级分裂与杂化效应。
• 测量温度与磁场依赖的电阻率、磁阻与光电导率，分析金属-绝缘体转变行为。
• 结合基于海森伯模型与BMP（束缚磁极化子）理论的理论建模，解释关于空位能级与能带位移的实验数据。
• 采用平均场模型计算磁化强度，并与实验电阻率数据对比，揭示普遍标度行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 5d-4f交换相互作用如何调控EuO薄膜中的自旋极化与电阻率？
• RQ2 在富Eu的EuO薄膜中，电阻率与磁化强度之间存在何种普遍关系？
• RQ3 氧空位与掺杂如何影响EuO的电子结构与输运性质？
• RQ4 外加磁场与光照射在诱导EuO中金属-绝缘体转变中起什么作用？
• RQ5 EuO的光学响应如何与居里转变过程中其磁性与电子结构相关联？

主要发现

• 富Eu的EuO薄膜在铁磁相变附近表现出超过一万亿倍的巨量电阻变化，其驱动力为5d能带与局域4f态的合并。
• EuO薄膜中的电导率仅由磁化强度决定，无论磁化强度是通过冷却至T_C以下产生，还是通过外加磁场诱导，均保持一致。
• 光电导率测量证实，EuO的金属-绝缘体转变由5d-4f交换相互作用触发，该作用使5d能带发生位移，从而通过自旋极化载流子实现导电。
• 角分辨光电子能谱与O K边MCD光谱揭示5d能带存在强烈的交换能级分裂，其能量位移与磁化强度成正比，证实了5d-4f杂化的关键作用。
• 温度依赖的电阻率曲线与基于束缚磁极化子与空位能级形成的理论模型高度吻合，验证了BMP与Heisenberg模型的有效性。
• 采用平均场方法对磁化强度进行理论建模，成功再现了实验电阻率数据，证明在不同样品条件下，电阻率与磁化强度之间存在普遍标度关系。