Delist.ru

Оптическая спектроскопия сильнокоррелированных соединений: монооксид меди и манганиты лантана (15.08.2007)

Автор: Сухоруков Юрий Петрович

126 267

125 268

<80 267

190 264

Рост концентрации вакансий лантана при хLa(0.90 (рост отношения концентрации ионов Mn4+/Mn3+) приводит к увеличению ТС и связанной с ней ТI. При хLa(0.85 в плёнке появляется односвязная металлическая ФМ область, что сопровождается МИ-переходом с характерными температурами ТI и ТM, близкими ТС (табл. 2). Отрицательное ?I/I~1.5 % (Н=8 кЭ) появляется даже при слабом отклонении от стехиометрии (хLa=0.95), когда колоссальное магнитосопротвление отсутствует (рис. 7). Это связано с малым объемом фазы проводящих не связанных друг с другом ФМ областей (малое отношение Mn4+/Mn3+). Магнитопропускание достигает максимума вблизи ТС, т. е. при температуре максимальных флуктуаций магнитных моментов. Оно происходит практически только в проводящих ФМ областях. Магнитосопротивление является усредненной характеристикой образца и максимально для составов, близких к концентрационному порогу перколяции. Поэтому аналогия магнитосопротивления и магнитопропускания имеет место только для манганитов с максимальной односвязной ФМ проводящей фазой при низких температурах. В отсутствии магнитного поля при понижении температуры T

Рассмотрим разделение фаз и эффект магнитопропускания в системе плёнок с изовалентным легированием (La1-xPrx)0.7Ca0.3MnO3 (0<хPr<1) на подложках LАО и SrTiO3 (STO). Рост концентрации празеодима до хPr=0.50 приводит к уменьшению критических температур ТС, ТМ, ТI, а также Tmax?I/I и Tmax??/? (табл. 3) за счет уменьшения среднего радиуса катиона в А-позициях перовскитной структуры. В области концентраций хPr<0.6 магнитное и зарядовое состояние (La1-xPrx)0.7Ca0.3MnO3 можно считать однородным. В плёнках этих составов образуется односвязная высокопроводящая ФМ область, что проявляется в корреляции зависимостей I(T) и ((T) (рис. 8) и в близости критических температур (табл. 3), максимальные значения эффекта Керра меняются незначительно. Небольшое различие в характерных температурах пленок на подложках STO и LAO связано с неоднородностями, обусловленными сильными напряжениями разного знака на границе плёнка-подложка и градиентом напряжений по толщине пленки. Установлено, что при толщине пленок значительно больше величины релаксационного слоя (в пленках на подложках STO (20а и (10а на LAO, где а-параметр решётки) отклонение от стехиометрии или легирование манганитов лантана оказывает существенно большее влияние на положение характерных температур, чем изменение типа подложки. Постоянство отношения Mn4+/Mn3+ при xPr<0.50, а следовательно, объёма металлической ФМ фазы приводит к тому, что величина магнитопропускания практически

не меняется (~25 %), в отличие от КMС, достигающего максимума вблизи порога перколяции.

Таблица 3

Состав плёнки/подложка ТМ ТI ?I/I % *ТС Tmax?I/I Tmax??/?

La0.7Ca0.3MnO3/LAO

La0.7Ca0.3MnO3/STO

(La0.75Pr0.25)0.7Ca0.3MnO3/LAO

(La0.75Pr0.25)0.7Ca0.3MnO3/STO

(La0.5Pr0.5)0.7Ca0.3MnO3/LAO

(La0.5Pr0.5)0.7Ca0.3MnO3/STO

(La0.25Pr0.75)0.7Ca0.3MnO3/LAO

(La0.25Pr0.75)0.7Ca0.3MnO3/STO 248

108 250

Наиболее однородными являются пленки состава xPr=0 с максимальным значением ТС, Tmax?I/I и Tmax??/?, с отсутствием аномалий на кривых ?I/I(Т) и ??/?(Т), а также отсутствием гистерезиса в зависимостях ?I/I(Н) и ??/?(Н). Наличие гистерезиса в зависимостях ?I/I(Н) и ??/?(Н) составов х=0.25, 0.50 и 0.75 на обеих подложках свидетельствует о магнитной неоднородности плёнок. Гистерезис магнитопропускания обусловлен гистерезисом намагниченности в переходном слое от АФМ матрицы к ФМ каплям и отношением объемной доли АФМ и ФМ областей в плёнках на разных подложках. Ниже порога перколяции (xPr>0.75) магнитопропускание и магнитосопротивление существенно уменьшаются, что свидетельствует об уменьшении объема ФМ фазы и появлении разделения фаз вследствие нестехиометрии по кислороду и изменения отношения концентраций ионов Mn4+/Mn3+. Отчётливо разделение фаз проявляется в отожженных образцах хPr=0.75, в которых оптический отклик на MИ-переход имеет место в плёнках на обеих подложках, несмотря на его отсутствие в зависимости ((T) в плёнке на LAO (рис. 8). Пленка состава La0.35Pr0.35Ca0.3MnO3 на STO, технология получения которой несколько отличалась, показала наибольший эффект магнитопропускания ?I/I~55 % при 2.4 мкм (8 кЭ,175 К). Причём при оптическом отклике на МИ-переход в зависимости I(T) происходит более чем 4000-кратное уменьшение пропускания ИК-излучения. Такие большие по величине эффекты рекомендованы для использования в практических целях.

При изотоп-замещении 16О на 18О в плёнках (La0.5Pr0.5)0.7Ca0.3MnO3 на STO магнитопропускание уменьшается в два раза, а ТmaxMT на ~50 К. Уменьшение магнитопропускания связано с уменьшением объемной доли металлической ФМ фазы за счёт роста изолирующей АФМ фазы. Изотоп-замещение в плёнке на LAO приводит к монотонному полупроводниковому ходу I(T) и ((T) во всем температурном интервале. Однако при охлаждении плёнки в поле 8 кЭ и измерении без поля в зависимости I(T) появляется оптический отклик на МИ-переход (ТI~120 К близка *TC) при полупроводниковом ходе ((T) во всём температурном интервале. Это указывает на появление ферромагнитных «металлических» областей c T*C(120 К в диэлектрической АФМ плёнке с 18О и свидетельствует о преимущественно перколяционном характере изотопного замещения.

Рассмотрим эффект гигантского магнитопропускания и разделение фаз в LaMnO3, легированном одновалентными ионами Ag+. В системе плёнок La1-xAgxMnO3 (хAg=0.05, 0.10, 0.15 и 0.25) на STO с плоскостью (110) зависимости ((Т) и I(Т), ?I/I(Т) и ??/?(Т) обладают согласованным ходом с практически совпадающими значениями ТI и ТM, близкими к *ТС (табл. 4). Замещение La3+ ионами Ag+ даже при малых уровнях легирования позволяет получить ферромагнитные плёнки с *TC, ТI, ТМ, Tmax?I/I и Tmax??/?, превышающими комнатную, а максимальные значения ТС и Tmax?I/I достигаются при концентрациях примерно в два раза меньших, чем при легировании двухвалентными ионами. Рост концентрации серебра до хAg=0.10 сопровождается увеличением Tmax?I/I, ТС и Tmax??/?. При дальнейшем увеличении хAg все критические температуры уменьшаются (табл. 4).

Таблица 4.

Состав плёнки/подложка *TC ?I/I Tmax?I/I Tmax??/? ТМ ТI

La0.95Ag0.05MnO3/STO

La0.9Ag0.1MnO3/STO

La0.85Ag0.15MnO3/STO

La0.75Ag0.25MnO3/STO

La0.8Ag0.1MnO3+(/STO 306

301 8.1

299 312

301 306

306 304

На низкотемпературном ходе кривых ?I/I(Т) плёнок проявлялись особенности (наиболее интенсивная в плёнке с дефицитом лантана La0.8Ag0.1MnO3+(). Особенности не наблюдались в зависимостях ??/?(Т). Они связаны с присутствием в плёнках ФМ фазы с ТС ниже *ТС основного объёма плёнки. Появление особенностей обусловлено напряжениями в интерфейсе плёнка-подложка и/или неоднородным распределением легирующего элемента по толщине плёнки. Зарядово- и магнитно-неоднородная среда была создана искусственно в плёнках La0.8Ag0.1MnO3+( на подложках ZrO2(Y2O3) – ZYO. Такие плёнки обладают вариантной (эквивалентной) структурой. Плёнки La0.8Ag0.1MnO3+( с разной толщиной (d=500, 800 и 1000 нм), с вариантной структурой отличаются от поликристаллов наличием высокопроводящих структурных доменов, разделенных слабопроводящими высокоугловыми границами (19.5о, 70.5о и 90о), набор которых не меняется по толщине пленки. В отличие от плёнок без вариантной структуры, в La0.8Ag0.1MnO3+( на ZYO переход металл-изолятор происходит при ТМ на ~80 К ниже *ТС, в то время как TI близка температуре Кюри. Различие в положении ТI и ТМ обусловлено конкуренцией вкладов проводимости внутри и на границах структурных доменов. Эффективные температуры Кюри, измеренные со стороны плёнки и подложки, показали разные значения, что свидетельствовало о магнитной неоднородности плёнок. Максимальное магнитопропускание достигалось в плёнке, толщиной 800 нм. Дальнейшее увеличение толщины до 1000 нм привело к увеличению электросопротивления и понижению характерных температур вследствие более неоднородного распределения серебра и вакансий La по объёму толстой плёнки по сравнению с более тонкой. В плёнках с вариантной структурой в отличие от обычных плёнок (например, La0.8Ag0.1MnO3+( на STO) помимо колоссального магнитосопротивления существует вклад в магнитосопротивление, связанный с туннелированием спин-поляризованных электронов через границы структурных доменов – так называемое туннельное магнитосопротивление, которое увеличивается при понижении температуры (рис. 9).

Магнитопропускание является оптическим откликом колоссального магнитосопротивления и достигает максимума ~6–9 % вблизи *ТС. Сравнение зависимостей ?I/I(Т) и ??/?(Т) позволило нам разделить вклады колоссального магнитосопротивления и туннельного магнитосопротивления в плёнках с вариантной структурой. Показано, что туннельное магнитосопротивление описывается формулой ??/?(Т)=a+b/(T, где а и b – константы. Экстраполяция кривой ??/?(Т) на ось ординат и использование выражения ??/?=2Р2/(1-Р2) позволило оценить величину спин-поляризации электронов Р~0.5.

Рассмотрим влияние интерфейса пленка-подложка на свойства плёнок манганитов, оптимально легированных двухвалентными ионами Са2+ и Sr2+. Вследствие малого радиуса иона Ca2+ (1.06 A), по сравнению с ионным радиусом Sr2+ (rSr=1.26 A), характерные температуры пленки La0.67Са0.33MnO3 на LAO (d=150 нм) ниже комнатной и близки к значению *ТС?276 К (?I/I~28 % при Н=8 кЭ и ~270 К). Значения ТМ, TmaxMС и *ТС, близкие к данным для монокристаллов La0.7Са0.3MnO3, свидетельствуют о высоком качестве пленки и слабом влиянии напряжений в интерфейсе плёнка-подложка на её оптические и магнитооптические свойства. В плёнках La0.67Sr0.33MnO3 на подложках LAO и STO (d=50 и 300 нм) показано, что неоднородности в интерфейсе пленка-подложка по-разному проявляются в оптических и электрических свойствах толстых и тонких плёнок. В толстых пленках характерные температуры близки *ТС(350 К, зависимости ?I/I(Т) и ??/?(Т) подобны, а температуры максимумов магнитопропускания и магнитосопротивления близки друг другу (табл. 5), как в случае плёнки La0.67Са0.33MnO3 на LAO.

Таблица 5.

Толщина плёнки,

Состав плёнки / подложка ?I/I ТС Tmax?I/I Tmax??/? ТМ ТI

300 нм La0.67Sr0.33MnO3 /LAO

300 нм La0.67Sr0.33MnO3 /STO

загрузка...