Verhoogde Curietemperatuur geïnduceerd door Orbital Ordering in La0.67Sr0.33MnO3/BaTiO3 Superroosters

Resultaten en discussie

Figuur 1a toont de RHEED-oscillaties die zijn geregistreerd tijdens de groei van het SL-3-monster op een TiO₂ -beëindigd (001) SrTiO₃ substraat. De LSMO- en BTO-filmdiktes werden gecontroleerd door de RHEED-intensiteitsoscillaties te tellen. Voor geoptimaliseerde omstandigheden blijven RHEED-oscillaties zichtbaar tijdens het superroosterafzettingsproces, wat wijst op een laag-voor-laag groei. De inzet van figuur 1d toont het duidelijke streperige RHEED-diffractiepatroon na de groei van het SL-3-monster. Typische XRD-patronen getoond in Fig. 1b onthullen hoogwaardige groei in de (001) oriëntatie voor alle drie de superroosters. Zoals verwacht verschuiven de LSMO-pieken iets naar een hogere hoek, terwijl de BTO-pieken naar een lagere hoek verschuiven (vergeleken met de bulkwaarde), wat de spanningstoestand weerspiegelt van de interfaces tussen de LSMO-lagen en de BTO-lagen (dwz in- plaats celparameter verlenging voor LSMO en reductie voor BTO). Deze gewenste spanning kan over de hele filmdikte worden gehandhaafd vanwege de herhaalde intercalatie van LSMO- en BTO-lagen. Raman-spectra gemeten bij 300 K voor de SL-10- en LSMO (40) -monsters worden getoond in Fig. 1c. Vergeleken met LSMO(40)-sample, een lichte verschuiving van de lage frequenties van banden bij 252 cm ^− 1 werd waargenomen in SL-10-monster, wat wijst op de LSMO-lagen in SL-10-monster met een trekspanning veroorzaakt door BTO-lagen [31,32,33]. Bovendien werd de hoge kwaliteit van de superroosters bevestigd door TEM. Afbeelding 2a is de transversale TEM (HRTEM) met hoge resolutie van het SL-3-monster op een (001)-georiënteerde SrTiO₃ substraat, dat de hoogwaardige epitaxiale groei van LSMO/BTO-superrooster onderschrijft. De inzet van figuur 2a is de overeenkomstige snelle Fourier-transformatie (FFT), wat suggereert dat de film inderdaad in één fase is. Figuur 2b toont de vergrote afbeelding van figuur 2a. De afbeelding toont atomair scherpe interfaces tussen de LSMO- en BTO-lagen gemarkeerd door rode pijlen. In de superroosters is er geen duidelijke interdiffusie bij de interfaces, en de LSMO- en BTO-lagen zijn volledig gespannen tot de SrTiO₃ substraten. Deze waarneming was consistent met de XRD-resultaten.

een Een HRTEM-beeld van een dwarsdoorsnede van het SL-3-monster. De inzet toont de bijbehorende FFT-patronen. b De vergrote blauwe rechthoektekening met de interfaces tussen de LSMO- en BTO-lagen aangegeven door rode pijlen

Vervolgens presenteren we een beschrijving van de magnetische eigenschappen van de SL-n-monsters. De temperatuurafhankelijke magnetisatie voor SL-n films met n = 3, 4, 10, evenals het LSMO (3)-monster, worden getoond in Fig. 3a. Hier wordt de meting uitgevoerd over een temperatuurbereik van 5 tot 350 K met een magnetisch veld (3000 Oe) evenwijdig aan het oppervlak van de SrTiO₃ substraten. Merk op dat de T _C van de superroosters is aanzienlijk verbeterd in vergelijking met de LSMO(3)-film [6], waarvan T _C is ongeveer 45 K (zie de inzet in Fig. 3a). Voor het SL-10-voorbeeld, de T _C stijgt boven 265 K vergeleken met de LSMO(3)-film en bereikt een maximale waarde van T _C ~310 K. Figuur 3b toont overeenkomstige magnetische hysteresislussen voor de vier monsters gemeten bij 5 K, met een duidelijk ferromagnetisch signaal met een verzadigingsmagnetisatie (Ms ) van ~ 1.5 μ_B /Mn—behalve de LSMO(3)-film. Hier komt het ferromagnetisme van de LSMO-lagen in de SL-n-monsters van de totale LSMO-drievoudige lagen, wat verschilt van die gerapporteerd door A. Sadoc et al., die aantoonden dat de ferromagnetische uitwisseling alleen gerelateerd is aan de centrale LSMO-lagen en is onafhankelijk van de grensvlak-LSMO-lagen die grenzen aan BTO-lagen met behulp van eerste-principeberekeningen [30]. Aangezien ferromagnetisme alleen wordt afgeleid van de centrale LSMO-lagen, is de M _s waarde van onze SL-n films berekend op basis van de originele meetgegevens wordt ~ 4.5 μ_B /Mn, wat de theoretische lage temperatuurwaarde van de LSMO zal overschrijden (~ 3.67 μ_B /Mn) [34]. Merk op dat de M _s per spin is veel minder dan bij bulk-LSMO, wat duidt op een fractie van niet-magnetische spins, een ferrimagnetische spin-rangschikking of sterke spin-canting [18, 35]. Er is meer werk nodig om de afgenomen M . te kwantificeren _s in dit LSMO/BTO-systeem. Ook de magnetische anisotropie van de SL-n-monsters met n = 3, 4, 10 werden bestudeerd. De magnetische hysteresislussen voor het magnetische veld dat in het vlak en buiten het vlak wordt aangelegd, gemeten bij 5 K (hier niet weergegeven), geven aan dat de gemakkelijke magnetisatie-as voor de drie monsters evenwijdig is aan de filmvlakrichting, die gerelateerd is aan de orbitale bezetting in LSMO-lagen, zoals hieronder besproken.

een Temperatuurafhankelijke magnetisatie van verschillende SL-n-monsters (n = 3, 4, 10) en een ultradunne LSMO-film met een 3-u.c. dikte. Het magnetische veld van 3000 Oe werd in het vlak aangelegd langs de SrTiO₃ substraten. De inzet toont de afhankelijkheid van het cyclusnummer van de T _C . b De corresponderende magnetische hysteresislussen van vier monsters gemeten bij 5 K

We richten ons nu op de correlatie tussen verhoogde T _C en elektronenorbitale bezetting in de LSMO/BTO-superroosters. Het is bekend dat de Mn ³⁺ ionen zijn Jahn-Teller actief en een licht vervormde orthorhombische structuur kan een van de e_g stabiliseren orbitalen. Stel dat de e_g (3z ² –r ² ) bezet is, een tussenlaagse dubbele uitwisselingsinteractie tussen de Mn ³⁺ en Mn ⁴⁺ ionen zullen voornamelijk plaatsvinden langs de c richting voor (001)-georiënteerd LSMO-materiaal. Wanneer e_g (x ² –y ² ) bezet is, zal de dubbele uitwisseling tussen de lagen erg sterk worden en zal de dubbele uitwisseling tussen de lagen in sterkte afnemen. In ultradunne films domineren in-plan interacties de magnetische uitwisseling en T _C . Controle van de orbitale ordening is dus belangrijk voor het verkrijgen van ferromagnetisme bij hoge temperatuur. Dat wil zeggen, een grote kans op bezetting van de e_g (x ² –y ² ) orbitaal kan resulteren in een hoge T _C voor (001)-georiënteerde LSMO-films.

In onze LSMO/BTO-voorbeelden is de roosterparameter van de BTO (a = 0,397-0,403 nm van een tetragonale naar rhomboëdrische fase) is groter dan die van LSMO (a = 0.387 nm), wat resulteert in een ~ 4% roostermismatch [36,37,38]. De LSMO-lagen in onze superroosters bevinden zich dus in een toestand met hoge treksterkte (c < a), waardoor bezetting in de e_g (x ² –y ² ) orbitaal [39]. We bespreken nu de mangaan e_g orbitale bezetting in relatie tot XLD-metingen, wat een extreem gevoelige sonde is voor de elektronische structuur en de d-orbitaal (e_g ) elektronenbezetting (schematisch diagram getoond in Fig. 4d), wat heeft bewezen in referentiële bezetting op interfaces [14]. De XAS-spectra werden gemeten bij de Mn L_2,3 -randen voor de fotonpolarisatie (E) evenwijdig aan het monstervlak (E_// ) en loodrecht daarop (E_⊥ ). De XLD wordt berekend als het XAS-intensiteitsverschil tussen de E_// en E_⊥ componenten om de bezetting van de Mn ³⁺ . te bepalen e_g orbitalen. In (001)-georiënteerde LSMO-films komt de richting buiten het vlak overeen met [001], en de richting in het vlak werd verkregen met E//[100], zoals weergegeven in figuur 4d. Het gebied onder de XLD-curve bij de L₂ -edge peak (ΔXLD) vertegenwoordigt het verschil tussen de relatieve bezettingen van de e_g (x ² − y ² /3z ² − r ² ) orbitalen. Een positieve/negatieve ΔXLD (gemiddeld) wordt toegeschreven aan een preferentiële bezetting van de e_g (3z ² − r ² )/(x ² − y ² ) orbitalen voor (001) LSMO-films. Figuur 4a, b toont de XLD-spectra, evenals de in-plane en out-of-plane XAS-spectra, van SL-3- en SL-10-monsters. Het ΔXLD-gebied bij de L₂ -randpiek is negatief, wat duidt op een preferentiële bezetting van de e_g (x ² –y ² ) orbitaal (zie figuur 4e), wat consistent is met de resultaten gerapporteerd door D. Pesquera et al. [39]. Bijgevolg is in onze LSMO/BTO-superroosters de grensvlaktrekspanning afkomstig van de roostermismatch tussen de BTO- en LSMO-lagen. Het induceert orbitale orbitale ordening van de e_g (x ² –y ² ) orbitale bezetting in de LSMO-lagen, met een hoge T _C . Deze negatieve waarde van het ΔXLD-gebied is ook een bewijs dat de Mn ³⁺ ionen in de driedubbele LSMO-lagen hebben dezelfde baanbezetting, wat bijdraagt ​​aan ferromagnetisme bij hoge temperaturen. Ook is de absolute waarde van ΔXLD voor de SL-10-sample aanzienlijk groter dan die van de SL-3-sample, wat overeenkomt met de verhoogde T _C te zien in Fig. 3a.

a, b Genormaliseerde XAS- en XLD-curven voor monsters SL-3 en SL-10 gemeten bij kamertemperatuur. c Temperatuurafhankelijke soortelijke weerstand gemeten in het temperatuurbereik van 20 tot 365 K voor (001)-georiënteerde SL-n-monsters waarbij n = 3 en 10. d Experimenteel configuratieschema voor XAS-metingen met verschillende invalshoeken van röntgenstralen. e Schematische weergave van de elektronische orbitale bezetting van mangaan e_g in (001)-georiënteerde LSMO/BTO-superroosters. v Voorgesteld dubbel uitwisselingskoppelingsmechanisme langs de richting in het vlak

Figuur 4c toont temperatuurafhankelijke soortelijke weerstand in het temperatuurbereik van 20 tot 365 K voor (001)-georiënteerde SL-n superroosters met n =3 en 10, respectievelijk. De twee monsters vertonen een overgangstemperatuur van metaal naar isolator (T _MI ). De T _MI waarden van 178 en 310 K voor respectievelijk samples SL-3 en SL-10 komen overeen met de T _C getoond in Fig. 3a. Dit ondersteunt het scenario voor een overgang op T _C van een paramagnetische isolatiefase naar een ferromagnetische metallische fase. Het ferromagnetisme bij hoge temperatuur is dus afkomstig van dubbele uitwisselingsinteracties in het vlak tussen de Mn ³⁺ en Mn ⁴⁺ ionen zoals weergegeven in Fig. 4f [40, 41]. In-plane overlap tussen (gedeeltelijk gevuld) Mn e_g (x ² –y ² ) met O 2p _x en O 2p _j creëert sterkere ferromagnetische koppeling dan die tussen (meer lege) Mn e_g (3z ² –r ² ).