[论文解读] Stress deformations and structural quenching in Sm0.5Ca0.5MnO3 thin films allow a huge decrease of the charge order melting magnetic field

Erwan Rauwel, W. Prellier+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2005

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用 6

一句话总结

本研究证明，在SrTiO3和LaAlO3衬底上外延生长的Sm0.5Ca0.5MnO3薄膜中，由应力引起的结构形变和晶格淬火显著降低了熔化电荷有序态所需的磁场——在低温下可降至约10 T，这是由于面内晶格失配抑制了完整电荷有序态的形成。该效应源于动力学捕获的结构应变，阻止了长程电荷有序的形成，即使在无热致晶格变化的情况下亦如此。

ABSTRACT

Thin films of Sm0.5Ca0.5MnO3 manganites with charge ordering (CO) properties and colossal magnetoresistance were synthesized by pulsed laser deposition technique on (100)-SrTiO3 and (100)-LaAlO3 substrates. We first compare the structural modifications as function of the substrate and film thickness. Secondly, measuring transport properties in magnetic fields up to 24T, we establish the temperature-field phase diagram describing the stability of the CO state and compare it to bulk material. We show that some structural modification induced by the substrate occurs and that the CO melting magnetic field is greatly reduced. Moreover, with the temperature decrease, no modification of the lattice parameters is observed. We then propose an explanation based on the quenching of the unit cell of the film that adopts the in-plane lattice parameters of the substrate and thus, prevents the complete growth of the CO state at low temperature.

研究动机与目标

• 研究衬底诱导应变和结构改性对Sm0.5Ca0.5MnO3薄膜中电荷有序稳定性的影响。
• 确定晶格失配和薄膜厚度对结构和电子性质的作用。
• 解释实验观测到的薄膜中电荷有序态熔化磁场显著低于体材料的原因。

提出的方法

• 采用脉冲激光沉积法在(100)-SrTiO3和(100)-LaAlO3衬底上外延生长Sm0.5Ca0.5MnO3薄膜。
• 通过结构表征，关联薄膜厚度和衬底晶格参数与诱导应变形变的关系。
• 在最高24 T的磁场下进行输运测量，绘制电荷有序态的温度-磁场相图。
• 监测晶格参数随温度的变化，评估结构稳定性和应变弛豫行为。
• 建立模型以解释通过结构淬火抑制电荷有序的机制，即薄膜将衬底的面内晶格参数“锁定”而无法完全弛豫至其平衡结构。

实验结果

研究问题

• RQ1 衬底晶格失配在多大程度上影响Sm0.5Ca0.5MnO3薄膜中电荷有序的稳定性？
• RQ2 为何薄膜中电荷有序态熔化磁场显著低于体材料中的值？
• RQ3 晶格参数随温度的变化是否与这些薄膜中电荷有序的抑制相关？
• RQ4 结构淬火在多大程度上阻止了低温下电荷有序的完全发展？
• RQ5 能否通过外延生长实现应变工程，以调节熔化电荷有序态所需的磁场？

主要发现

• 在低温下，Sm0.5Ca0.5MnO3薄膜中电荷有序态的熔化磁场降低至约10 T，显著低于体材料中的值。
• 温度降低时未观测到晶格参数的显著变化，表明结构应变处于动力学冻结状态，而非热力学松弛状态。
• 熔化磁场的降低归因于结构淬火，即薄膜采用衬底的面内晶格参数，无法完全弛豫至其平衡结构。
• 电荷有序的抑制并非源于热致晶格效应，而是由于应变诱导畸变的动力学捕获。
• 相图显示，由于外延应变的存在，薄膜中电荷有序态在远低于体材料的磁场下即被 destabilized（失稳）。
• 该效应在不同衬底（SrTiO3和LaAlO3）上均表现稳定，表明其为一种普遍机制，与晶格失配和淬火密切相关。