Peningkatan Suhu Curie yang Diinduksi oleh Orbital Orbit di La0.67Sr0.33MnO3/BaTiO3 Superlattices

Hasil dan Diskusi

Gambar 1a menunjukkan osilasi RHEED yang terekam selama pertumbuhan sampel SL-3 pada TiO₂ -dihentikan (001) SrTiO₃ substrat. Ketebalan film LSMO dan BTO dikontrol dengan menghitung osilasi intensitas RHEED. Untuk kondisi yang dioptimalkan, osilasi RHEED tetap terlihat selama proses pengendapan superlattice, yang menunjukkan pertumbuhan lapis demi lapis. Sisipan Gambar 1d menunjukkan pola difraksi RHEED bergaris-garis yang jelas setelah pertumbuhan sampel SL-3. Pola XRD khas yang ditunjukkan pada Gambar. 1b mengungkapkan pertumbuhan berkualitas tinggi dalam orientasi (001) untuk ketiga superlattice. Seperti yang diharapkan, puncak LSMO bergeser sedikit ke sudut yang lebih tinggi sementara puncak BTO bergeser ke sudut yang lebih rendah (dibandingkan dengan nilai massal), yang mencerminkan keadaan regangan antarmuka antara lapisan LSMO dan lapisan BTO (yaitu, di- tempatkan elongasi parameter sel untuk LSMO dan reduksi untuk BTO). Regangan yang diinginkan ini dapat dipertahankan pada seluruh ketebalan film karena interkalasi berulang dari lapisan LSMO dan BTO. Spektrum Raman diukur pada 300 K untuk sampel SL-10 dan LSMO(40) ditunjukkan pada Gambar. 1c. Dibandingkan dengan sampel LSMO(40), sedikit pergeseran pita frekuensi rendah pada 252 cm ^− 1 diamati pada sampel SL-10, menunjukkan lapisan LSMO dalam sampel SL-10 dengan regangan tarik yang disebabkan oleh lapisan BTO [31,32,33]. Selain itu, kualitas superlattice yang tinggi dikonfirmasi oleh TEM. Gambar 2a adalah TEM (HRTEM) resolusi tinggi penampang dari sampel SL-3 pada SrTiO₃ yang berorientasi (001) substrat, mendukung pertumbuhan epitaxial berkualitas tinggi dari LSMO/BTO superlattice. Sisipan dari Gambar 2a adalah transformasi Fourier cepat (FFT) yang sesuai, menunjukkan bahwa film memang dalam fase tunggal. Gambar 2b menunjukkan gambar yang diperbesar dari Gambar 2a. Gambar menunjukkan antarmuka yang sangat tajam antara lapisan LSMO dan BTO yang disorot oleh panah merah. Dalam superlattice, tidak ada interdifusi yang jelas pada antarmuka, dan lapisan LSMO dan BTO sepenuhnya diregangkan ke SrTiO₃ substrat. Pengamatan ini konsisten dengan hasil XRD.

a Gambar HRTEM penampang dari sampel SL-3. Inset menunjukkan pola FFT yang sesuai. b Gambar persegi panjang biru yang diperbesar dengan antarmuka antara lapisan LSMO dan BTO yang ditunjukkan oleh panah merah

Selanjutnya, kami menyajikan deskripsi sifat magnetik sampel SL-n. Magnetisasi yang bergantung pada suhu untuk film SL-n dengan n = 3, 4, 10, serta sampel LSMO(3), ditunjukkan pada Gambar. 3a. Di sini, pengukuran dilakukan pada rentang suhu dari 5 hingga 350 K dengan medan magnet (3000 Oe) yang diterapkan sejajar dengan permukaan SrTiO₃ substrat. Perhatikan bahwa T _C dari superlattice meningkat secara signifikan dibandingkan dengan film LSMO(3) [6], yang T _C adalah sekitar 45 K (lihat inset pada Gambar. 3a). Untuk sampel SL-10, T _C meningkat di atas 265 K dibandingkan dengan film LSMO(3) dan mencapai nilai maksimum T _C ~310 K. Gambar 3b menunjukkan loop histeresis magnetik yang sesuai untuk empat sampel yang diukur pada 5 K, menunjukkan sinyal feromagnetik yang jelas dengan magnetisasi saturasi (Ms ) dari ~ 1,5 _B /Mn—kecuali untuk film LSMO(3). Di sini, feromagnetisme lapisan LSMO dalam sampel SL-n berasal dari total tiga lapisan LSMO, yang berbeda dari yang dilaporkan oleh A. Sadoc et al., yang menunjukkan bahwa pertukaran feromagnetik hanya terkait dengan lapisan LSMO pusat. dan tidak tergantung pada lapisan LSMO antarmuka yang berdekatan dengan lapisan BTO menggunakan perhitungan prinsip pertama [30]. Mengingat feromagnetisme hanya berasal dari lapisan LSMO pusat, M _s nilai film SL-n kami yang dihitung dari data pengukuran asli akan menjadi ~ 4.5 _B /Mn, yang akan melebihi nilai suhu rendah teoritis LSMO (~ 3.67 _B /Mn) [34]. Perhatikan bahwa M _s per putaran jauh lebih sedikit daripada LSMO massal, menunjukkan sebagian kecil dari putaran nonmagnetik, pengaturan putaran ferimagnetik, atau canting putaran yang kuat [18, 35]. Lebih banyak pekerjaan akan dibutuhkan untuk mengukur penurunan M _s dalam sistem LSMO/BTO ini. Juga, anisotropi magnetik sampel SL-n dengan n = 3, 4, 10 dipelajari. Loop histeresis magnetik untuk medan magnet yang diterapkan di dalam dan di luar bidang yang diukur pada 5 K (tidak ditampilkan di sini) menunjukkan bahwa sumbu magnetisasi mudah untuk ketiga sampel sejajar dengan arah bidang film, yang terkait dengan hunian orbital di lapisan LSMO, seperti yang dibahas di bawah ini.

a Magnetisasi yang bergantung pada suhu dari sampel SL-n yang berbeda (n = 3, 4, 10) dan film LSMO ultra tipis dengan 3-u.c. ketebalan. Medan magnet 3000 Oe diterapkan di dalam bidang di sepanjang SrTiO₃ substrat. Sisipan menunjukkan ketergantungan nomor siklus pada T _C . b Loop histeresis magnetik yang sesuai dari empat sampel yang diukur pada 5 K

Kami sekarang fokus pada korelasi antara peningkatan T _C dan hunian orbital elektron di superlattice LSMO/BTO. Diketahui bahwa Mn ³⁺ ion Jahn-Teller aktif, dan struktur ortorombik yang sedikit terdistorsi dapat menstabilkan salah satu e_g orbital. Misalkan e_g (3z ² –r ² ) ditempati, interaksi pertukaran ganda antar lapisan antara Mn ³⁺ dan Mn ⁴⁺ ion akan terjadi terutama di sepanjang c arah untuk (001) materi LSMO berorientasi. Saat e_g (x ² –y ² ) ditempati, pertukaran ganda intralayer akan menjadi sangat kuat dan pertukaran ganda interlayer akan menurun kekuatannya. Dalam film ultra tipis, interaksi dalam pesawat mendominasi pertukaran magnet dan T _C . Dengan demikian, kontrol urutan orbital penting untuk memperoleh feromagnetisme suhu tinggi. Artinya, probabilitas hunian tinggi e_g (x ² –y ² ) orbital dapat menghasilkan T . yang tinggi _C untuk (001) film LSMO berorientasi.

Dalam sampel LSMO/BTO kami, parameter kisi BTO (a = 0.397–0.403 nm dari fase tetragonal ke rombohedral) lebih besar dari LSMO (a = 0,387 nm), menghasilkan ketidakcocokan kisi ~ 4% [36,37,38]. Dengan demikian, lapisan LSMO di superlattice kami berada dalam keadaan regangan tarik tinggi (c < a), menyebabkan hunian di e_g (x ² –y ² ) orbit [39]. Sekarang kita membahas mangan e_g hunian orbital dalam kaitannya dengan pengukuran XLD, yang merupakan probe yang sangat sensitif untuk struktur elektronik dan orbital d (e_g ) hunian elektron (diagram skematis ditunjukkan pada Gambar. 4d), yang telah terbukti dalam hunian referensial pada antarmuka [14]. Spektrum XAS diukur pada Mn L_2,3 -tepi untuk polarisasi foton (E) sejajar dengan bidang sampel (E_// ) dan tegak lurus terhadapnya (E_⊥ ). XLD dihitung sebagai perbedaan intensitas XAS antara E_// dan E_⊥ komponen untuk menentukan tingkat hunian Mn ³⁺ e_g orbital. Dalam film LSMO berorientasi (001), arah keluar bidang berhubungan dengan [001], dan arah dalam bidang diperoleh dengan E//[100], seperti ditunjukkan pada Gambar 4d. Area di bawah kurva XLD di L₂ -edge peak (ΔXLD) mewakili perbedaan antara hunian relatif e_g (x ² y ² /3z ² − r ² ) orbital. XLD positif/negatif (rata-rata) dianggap berasal dari hunian preferensial e_g (3z ² − r ² )/(x ² y ² ) orbital untuk (001) film LSMO. Gambar 4a, b menunjukkan spektrum XLD, serta spektrum XAS di dalam dan di luar bidang, dari sampel SL-3 dan SL-10. Area XLD di L₂ -edge peak negatif, menyiratkan hunian istimewa e_g (x ² –y ² ) orbital (lihat Gambar 4e), yang konsisten dengan hasil yang dilaporkan oleh D. Pesquera et al. [39]. Akibatnya, dalam superlattice LSMO/BTO kami, regangan tarik antarmuka berasal dari ketidakcocokan kisi antara lapisan BTO dan LSMO. Ini menginduksi pemesanan orbital dalam bidang e_g (x ² –y ² ) okupansi orbit di lapisan LSMO, mencapai T . yang tinggi _C . Nilai negatif dari luas XLD ini juga merupakan bukti bahwa Mn ³⁺ ion di lapisan tiga LSMO memiliki hunian orbital yang sama, yang berkontribusi terhadap feromagnetisme suhu tinggi. Juga, nilai absolut XLD untuk sampel SL-10 secara signifikan lebih besar daripada sampel SL-3, yang sesuai dengan peningkatan T _C terlihat pada Gambar. 3a.

a, b Kurva XAS dan XLD yang dinormalisasi untuk sampel SL-3 dan SL-10 yang diukur pada suhu kamar. c Resistivitas yang bergantung pada suhu diukur dalam kisaran suhu dari 20 hingga 365 K untuk sampel SL-n berorientasi (001) di mana n = 3 dan 10. d Diagram skema konfigurasi eksperimental untuk pengukuran XAS dengan sudut datang sinar-X yang berbeda. e Representasi skema dari hunian orbital elektronik mangan e_g dalam (001) berorientasi superlattices LSMO/BTO. f Mekanisme kopling pertukaran ganda yang diusulkan di sepanjang arah dalam bidang

Gambar 4c menunjukkan resistivitas yang bergantung pada suhu dalam kisaran suhu dari 20 hingga 365 K untuk superlattice SL-n berorientasi (001) dengan n = 3 dan 10, masing-masing. Kedua sampel menunjukkan suhu transisi logam-ke-isolator (T _MI ). T _MI nilai 178 dan 310 K untuk sampel SL-3 dan SL-10, masing-masing, sesuai dengan T _C ditunjukkan pada Gambar. 3a. Ini mendukung skenario untuk transisi di T _C dari fase isolasi paramagnetik ke fase logam feromagnetik. Jadi, feromagnetisme suhu tinggi berasal dari interaksi pertukaran ganda di dalam bidang antara Mn ³⁺ dan Mn ⁴⁺ ion seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4f [40, 41]. Tumpang tindih dalam bidang antara (terisi sebagian) Mn e_g (x ² –y ² ) dengan O2p _x dan O2p _y menciptakan kopling feromagnetik yang lebih kuat daripada antara (lebih kosong) Mn e_g (3z ² –r ² ).