Delist.ru

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

Автор: Сухоруков Юрий Петрович

50 нм La0.67Sr0.33MnO3 /LAO

50 нм La0.67Sr0.33MnO3 /STO 6.1

335 352

330 354

335 352

338 352

Однако тонкие пленки являются зарядово- и магнитно-неоднородными. Об этом свидетельствует увеличение ? при уменьшении d, уменьшение намагниченности, *ТС, ТI, ТМ, Tmax?I/I и Tmax??/? (табл. 5). Напряжения в интерфейсе пленка-подложка и градиент напряжений по толщине пленки формируют деформированный слой, толщина которого на порядок превышает толщину релаксационного слоя и составляет ~100 нм для пленок La0.67Sr0.33MnO3 на STO и ~50 нм на LAO. Соотношение толщины деформированного слоя и толщины пленки определяет зарядовую и магнитную однородность пленок и приводит к разным значениям магнитопропускания в пленках на разных подложках. Шестикратное уменьшение толщины пленки сопровождается шестикратным уменьшением магнитопропускания в плёнке на STO и трёхкратным уменьшением магнитопропускания в пленке на LAO. Различие связано с зависимостью магнитопропускания от объемной доли неоднородностей и отношения толщины пленки к величине деформированного слоя.

На основе экспериментальных данных установлено, что наибольшим магнитопропусканием обладают пленки манганитов оптимально легированных составов с максимальным изменением пропускания при МИ-переходе и полупроводниковым ходом ((Т) в парамагнитной области. Так, в La0.67Sr0.33MnO3 при ((/(Т>0 в ПМ-области магнитопропускание мало (6 %. В La0.7Са0.3MnO3 при ((/(Т<0 и (I/(T<0 магнитопропускание (25 %. Зависимость величины магнитопропускания от знака ((/(Т в ПМ-области обусловлена величиной среднего ионного радиуса A-катиона. Меньшему радиусу катиона соответствует более узкая зона проводимости, что обусловливает активационный характер проводимости при Т>TС и высокие значения магнитопропускания и магнитосопротивления в соответствии с выражением (??/?((1-ехр(-Еа/ТС), где Еа – энергия активации [7]. Магнитопропускание плёнок нестехиометрических и легированных манганитов лантана имеет большую величину в широком ИК-диапазоне от 1.4 до 12 мкм, т. е. там, где проявляются свойства проводящей фазы, и связано с изменением под действием магнитного поля поглощения света как локализованными, так и делокализованными носителями. Полученные экспериментальные данные показали, что оптический отклик на МИ-переход и колоссальное магнитосопротивление в плёнках манганитов лантана является следствием изменения объема ферромагнитной металлической фазы вблизи ТС от температуры и магнитного поля.

Таким образом, на величину и положение максимума магнитопропускания в плёнках манганитов лантана оказывает влияние отклонение от стехиометрии, уровень и тип легирования, толщина плёнки. Магнитопропускание слабо зависит от типа подложки. Оно максимально в составах с максимальным объёмом ФМ фазы при Ттемпературном поведении пропускания и электросопротивления, в особенностях температурной зависимости магнитопропускания и гистерезисе полевой зависимости магнитопропускания. Предложен способ разделения вкладов КМС и магнитосопротивления, связанного с туннелированием спин-поляризованных носителей заряда через границы структурных доменов в плёнках с вариантной структурой.

6. Сильнокоррелированные CuO и манганиты лантана – новые функциональные материалы

Шестой раздел посвящен разработке и описанию принципа действия ИК-модулятора и других устройств на основе эффекта магнитопропускания или температурного изменения пропускания в плёнках манганитов лантана. Показана применимость нанокристаллического CuO для создания поглотителей солнечной энергии.

В связи с проблемами энергосбережения большой интерес проявляется к тепловым преобразователям солнечной энергии с покрытиями на основе селективных поглотителей энергии солнца. Поглотитель должен иметь большую величину поглощения, малый коэффициент отражения при E>0.5 эВ и малое излучение или большое отражение при E<0.5 эВ. В работе показано, что таким требованиям удовлетворяет нанокристаллический CuO, в котором высокоэнергетический край «окна прозрачности» можно сместить от 1.5 до 0.5 эВ (изменение на ~1 эВ) без изменения величины показателя преломления.

Было показано, что большие значения линейного дихроизма в монокристаллах CuO и в пленках манганитов лантана могут быть использованы при создании поляризаторов ИК-излучения.

Описаны конструкция, принцип действия и рабочие характеристики модулятора ИК-излучения на основе эффекта МП в плёнке La0.82Na0.18MnO3+( на LAO. Спектральный диапазон модулятора от 1.5 до 12 мкм, глубина модуляции – 6 %, рабочая температура – 303 К, управляемое поле – 3 кЭ, частотный диапазон – 2 кГц. В работе показано, что магнитопропускание может быть использовано для регистрации электрического тока и магнитного поля, а гигантское изменение пропускания света манганитами вблизи ТС может быть использовано для определения температуры.

На примере тонкоплёночной гетероструктуры Sm0.55Sr0.45MnO3/Nd0.55Sr0.45MnO3, состоящей из слоёв с разными ТС, показана возможность получения МП и МС со слабой температурной зависимостью. На примере гетероструктуры (La0.25Pr0.75)0.7Ca0.3MnO3/YВa2Cu3O7-x показана возможность создания магнитной линзы, концентрация магнитного потока в которой позволяет получить выигрыш в величине управляющего магнитного поля в плёнке манганита лантана.

Заключение

При исследовании оптических свойств монокристаллов АФМ полупроводника оксида меди, необлучённых и облученных высокоэнергетическими частицами и монокристаллов, поликристаллов и пленок манганитов лантана, легированных ионами различной валентности, обнаружены особенности, характеризующие эти материалы как сильнокоррелированные соединения, выявлена взаимосвязь между магнитной и электронной подсистемами. Получены следующие важные в научном и прикладном отношении результаты:

1. Обнаружены особенности в спектрах поглощения сильнокоррелированных соединений монокристаллов CuO и манганитов лантана, которые объяснены в рамках единого подхода – кластерной модели, учитывающей сильные электронные корреляции. Спектр фундаментального поглощения обусловлен переходами в базовых кластерах, а переходы в дырочных и электронных кластерах формируют ИК-полосы поглощения. Облучение CuO высокоэнергетическими частицами и легирование манганита лантана приводят к перераспределению спектрального веса из высокоэнергетической в низкоэнергетическую область, усилению ИК-полос локализованных состояний, а в случае манганитов лантана – к появлению вклада делокализованных состояний. Эти изменения спектров являются характерными для сильнокоррелированных соединений. Край фундаментального поглощения в CuO и манганитах описывается в рамках зонного подхода.

2. Показано, что оптические спектры CuO и манганитов лантана могут быть описаны в рамках модели эффективной среды, учитывающей разделение фаз, т. е. высокопроводящие капли в диэлектрической матрице. Разделение фаз в монокристаллах CuO является наномасштабным, носители локализуются в отдельных областях, перенос заряда между которыми затруднен. В манганитах лантана разделение фаз зависит от концентрации легирующего элемента и от температуры вблизи и ниже температуры Кюри (ТС). Предложен способ обнаружения разделения фаз в манганитах лантана и других сильнокоррелированных соединениях, основанный на сопоставлении температурных зависимостей пропускания ИК-излучения и электросопротивления, магнитопропускания и магнитосопротивления.

3. В оксиде меди обнаружен оптический отклик на магнитные фазовые переходы в температурной зависимости интенсивности полосы поглощения при 3.1 эВ. В легированных манганитах лантана вблизи ТС обнаружен оптический отклик на переход металл-изолятор в температурных зависимостях пропускания ИК-излучения, который связывается с существованием ниже ТС высокопроводящих капель и изменением их объема при изменении температуры и магнитного поля.

4.Обнаружен эффект гигантского отрицательного магнитопропускания в легированном монокристалле и пленках манганитов лантана. Спектральная зависимость эффекта определяется изменением под действием магнитного поля поглощения света как локализованными, так и делокализованными носителями. Магнитопропускание достигает максимума в составах с максимальным объемом металлической ферромагнитной фазы, в отличие от магнитосопротивления, которое максимально вблизи порога перколяции. Величина магнитопропускания зависит от типа легирующего элемента, уровня легирования, отклонения от стехиометрии, изотопзамещения кислорода 16О на 18О, от толщины плёнки и слабо зависит от типа подложки. Большая величина магнитопропускания достигается в манганитах с большим изменением пропускания при переходе металл-изолятор и полупроводниковым ходом электросопротивления и пропускания в парамагнитной области.

5. Показано, что напряжения в интерфейсе пленка-подложка приводят к появлению тонкой структуры в спектре фундаментального поглощения LaxMnO3, текстура подложки LaAlO3 наводит большой линейный дихроизм в пленке La0.67Ca0.33MnO3, наличие структурных доменов в пленках La0.8Ag0.1MnO3 с вариантной структурой приводит к появлению туннельного магнитосопротивления, предложен способ разделения вкладов колоссального и туннельного магнитосопротивления.

6. Показано, что нанокристаллический CuO является эффективным материалом для создания селективных поглотителей солнечной энергии. Монокристаллы CuO с большой величиной линейного дихроизма могут быть использованы для создания поляризаторов ИК-излучения. Изготовлен рабочий макет ИК-модулятора на основе эффекта магнитопропускания в плёнке манганита лантана, работающий при комнатной температуре. На основе гетероструктуры манганит-ВТСП создана «магнитная линза» для уменьшения величины управляющего магнитного поля. Показана возможность получения колоссального магнитосопротивления и гигантского магнитопропускания со слабой температурной зависимостью.

Основные результаты работы изложены в журналах,

включённых ВАК в «Перечень» ведущих рецензируемых журналов:

Москвин А. С., Лошкарева Н. Н., Сухоруков Ю. П., Сидоров М. А., Самохвалов А. А. Особенности электронной и зонной структуры оксида меди CuO. Зародыши фазы полярных конфигураций и оптическое поглощение в среднем ИК-диапазоне // ЖЭТФ. – 1994. –Т. 105. – № 4. – С. 967–993.

Сухоруков Ю. П., Лошкарева Н. Н., Москвин А. С., Самохвалов А. А. Спектры поглощения монокристаллов CuO в области фундаментальной полосы и природа оптической щели в оксидах меди // ЖЭТФ. – 1995. – Т. 108. – №. 5 (11). – С. 1821–1830.

Лошкарева H. H., Сухоруков Ю. П., Гижевский Б. А., Арбузов В. Л., Наумов С. В., Самохвалов А. А. Спектры поглощения монокристаллов СuО облученных электронами // ФТТ. – 1995. – T. 37. – № 2. – C. 376–381.

Сухоруков Ю. П., Москвин А. С., Лошкарева Н. Н., Овчинников А. С., Самохвалов А. А., Наумов С. В. Аномалии оптического поглощения в области магнитных фазовых переходов в оксиде меди // Письма в ЖЭТФ. – 1996. – Т. 63. – № 4. – С. 251–255.

Сухоpуков Ю. П., Лошкаpева Н. Н., Москвин А. С., Арбузов В. Л., Овчинников А. С., Чеботаев Н. М., Самохвалов А. А. Влияние облучения электронами на фазово-неоднородную наноскопическую структуру и спектр фундаментального поглощения монокристалла оксида меди CuO // ФТТ. – 1997. – Т. 39. – № 12. – С. 2141–2146

Loshkareva N. N., Sukhorukov Yu. P., Gizhevskii B. A., Samokhvalov A. A., Arkhipov V. E., Naish V. E., Karabashev S. G., Mukovskii Ya. M. Red shift of absorption edge and nonmetal-metal transition in single crystals La1-xSrxMnO3 (x=0.1, 0.2, 0.3). // Phys. Stat. Sol. (a). – 1997. – Vol. 164. – P. 863–867.

Лошкарева Н. Н., Сухоруков Ю. П., Носов А. П., Васильев В. Г., Слободин Б. В., Демчук К. М., Бебенин Н. Г. Отражение света от La0.67Ba0.33MnO3 в инфракрасной области спектра // ФТТ. – 1997. – Т. 39. – С. 1616–1617.

Sukhorukov Yu. P., Loshkareva N. N., Samokhvalov A. A., Naumov S. V., Moskvin A. S., Ovchinnikov A. S. Magnetic phase transitions in optical spectrum of magnetic semiconductor CuO // JMMM. – 1998. – Vol. 183. – P. 356–358.

Гижевский Б. А., Белых Т. А., Наумов С. В., Лошкарева Н. Н., Сухоруков Ю. П., Пяткова Г. А., Чеботаев Н. М., Самохвалов А. А. Модификация электрических и оптических свойств и фазовые превращения CuO при облучении ионами гелия // Физика и химия обработки металлов. – 1998. – № 1. – С. 9–14.

Loshkareva N. N., Sukhorukov Yu. P., Nossov A. P., Vassiliev V. G., Slobodin B. V., Bebenin N. G., Ustinov V. V. Interaction of light with charge carriers in La0.67-xYxBa0.33MnO3 (x=0; 0.07) // Sol. State Commun. – 1998. – Vol. 106. – № 6. – P. 357–361.

Лошкарева Н. Н., Сухоруков Ю. П., Гижевский Б. А., Москвин А. С., Белых Т. А., Наумов С. В., Самохвалов А. А. Зародыши фазы полярных центров в монокристаллах CuO облученных ионами Не+ // ФТТ. – 1998. – Т. 40. – № 3. – С. 419–424.

Сухоруков Ю. П., Лошкарева Н. Н., Москвин А. С., Арбузов В. Л., Наумов С. В. Влияние облучения электронами на край фундаментального поглощения монокристалла монооксида меди CuO // Письма в ЖТФ. – 1998. – Т. 24. – № 4. – С. 7–12.

Лошкарева Н. Н., Сухоруков Ю. П., Наумов С. В., Солин Н. И., Смоляк И. Б., Панфилова Е. В. Прямое наблюдение разделения фаз в La1-xCaxMnO3 // Письма в ЖЭТФ. – 1998. – T. 68. – № 1. – C. 89–92.

Сухоруков Ю. П., Лошкарева Н. Н., Ганьшина Е. А., Кауль А. Р., Горбенко О. Ю., Фатиева К. А. Гигантское изменение оптического поглощения плёнки La0.35Pr0.35Ca0.3MnO3 вблизи перехода металл-изолятор и возможности его использования // Письма в ЖТФ. – 1999.– Т. 25. – № 14. – С. 6–13.

Лошкарева Н. Н., Сухоруков Ю. П., Наумов С. В., Гижевский Б. А., Белых Т. А., Татаринова Г. Н. Центры зарядовой неоднородности и восстановление оксида меди CuO при облучении ионами азота // ФТТ. – 1999. –Т. 41. – № 9. – С. 1564–1567.

загрузка...