Повышение температуры Кюри через орбитальный порядок в сверхрешетках La0.67Sr0.33MnO3/BaTiO3

Аннотация

Недавние теоретические исследования предсказывают, что температура Кюри (T_C) перовскитных манганитных тонких пленок может быть увеличена более чем на порядок путем применения тщательно спроектированного интерфейсного напряжения, контролирующего орбитальный порядок. В этом исследовании мы демонстрируем, что вставка слоев BaTiO₃ (BTO) между слоями La_0.67Sr_0.33MnO₃ (LSMO) систематически усиливает ферромагнитный порядок и повышает T_C LSMO/BTO сверхрешеток. Рентгеновская линейная дихроизм (РЛД) измерения подтверждают, что растяжение, накладываемое BTO, преференциально занимает e_g(x²–y²) орбиталь в LSMO слоях. Наши результаты показывают, что инженерия орбитальной заселенности — мощный путь к повышению T_C в ультразвуковых LSMO пленках, с in-plane орбитальной заселенностью, усиливающей ферромагнитное двойное обменное взаимодействие. Эти находки открывают новые пути для проектирования магнитоэлектронных устройств, работающих далеко выше комнатной температуры.

Предыстория

Перовскитные манганитные пленки обычно страдают от выраженного снижения T_C по мере уменьшения толщины пленки, явление, часто называемое «мертвым слоем». Эта толщино-зависимая потеря ферромагнетизма ограничивает производительность спинтронных устройств, таких как полевые транзисторы, магнитные туннельные контакты, спиновые клапаны и немгнитные памяти. Возможные происхождения включают электронную и/или химическую фазовую сегрегацию, рост-индуцированные микроструктурные изменения или реконструкцию Mn e_g орбиталей. Недавние усилия фокусировались на сверхрешетной инженерии и настройке напряжения для восстановления или даже превышения объемного T_C в ультразвуковых пленках. Среди перовскитных манганитов La_0.67Sr_0.33MnO₃ (LSMO) представляет особый интерес благодаря своему колоссальному магнитосопротивлению, высокой T_C и полуметалличности. Гетероструктуры, включающие LSMO, раскрыли богатую интерфейсную физику, включая атомное перемешивание и новые сцепления. В частности, M. Ziese et al. сообщили о ферромагнитном порядке, сохраняющемся до двух элементарных ячеек в LSMO/SrRuO₃ сверхрешетках, с T_C, превышающей комнатную температуру. Первопринципные расчеты предсказывают, что интеркаляция подходящих слоев — таких как BaTiO₃ (BTO) — в LSMO может драматически повысить T_C путем контроля орбитального порядка, конкретно способствуя in-plane e_g(x²–y²) состоянию, которое способствует сильному двойному обменному взаимодействию. Этот теоретический инсайт теперь экспериментально подтвержден в настоящей работе.

В этой статье мы синтезируем LSMO/BTO сверхрешетки лазерным осаждением (PLD) и используем РЛД для корреляции повышенного T_C с заселенностью Mn e_g орбиталей. Мы находим, что регулярные BTO интерслои не только сохраняют высококачественный эпитаксиальный рост, но также накладывают растяжение, стабилизирующее in-plane e_g(x²–y²) орбиталь через центральные и интерфейсные LSMO слои, приводя к повышенному T_C, который может превышать 310 К. Эти результаты предоставляют конкретную стратегию для настройки магнетизма в искусственных оксидных структурах, с последствиями для высокотемпературных спиновых клапанов и немгнитных памятей.

Методы

Мы изготовили (001)-ориентированные [(LSMO)₃/(BTO)₃]_n сверхрешетки (SL-n, n = 3, 4, 10) на (001) SrTiO₃ (STO) подложках с использованием PLD. Стоихиометрическая поликристаллическая мишень аблировалась в 100 мТорр O₂ при 725 °C для LSMO и 780 °C для BTO. KrF эксимерный лазер (λ = 248 нм) при 2 Гц, с 350 мДж для LSMO и 300 мДж для BTO, обеспечивал слой-за-слоем рост. После роста образцы отжигали в 300 Торр O₂ в течение 1 ч для уменьшения кислородных вакансий перед охлаждением до комнатной температуры. Для сравнения также подготовили однослойные LSMO пленки 3 э.я. и 40 э.я. (LSMO(3) и LSMO(40)). Для достижения атомно-гладких, однозавершенных STO поверхностей этравили в NH₄F-буферизованном HF (BHF) и отжигали при 960 °C в O₂. Атомно-силовая микроскопия (АСМ) подтвердила ступенчато-террасную морфологию (Рис. 1d). In-situ рефлексионная высокоэнергетическая электронная дифракция (RHEED) мониторила динамику роста и обеспечивала элементарно-ячеечную точность (Рис. 1a). Кристаллическая структура и морфология характеризовались рентгеновской дифракцией (РД) и трансляционной электронной микроскопией (ТЭМ). Рамановская спектроскопия (514,5 нм Ar⁺ лазер) верифицировала состояния напряжения (Рис. 1c). Магнитные свойства измеряли SQUID магнетометром под 3000 Ое in-plane полем, после вычитания диамагнитного фона STO. Транспорт оценивали методом четырехконтактного метода Ван дер Пау в PPMS от 20 К до 365 К. XAS и РЛД выполняли в режиме полного электронного выхода на Шанхайском синхронном излучении (BL08U1A) и Национальной синхронной лаборатории (U19) при комнатной температуре.

Результаты и обсуждение

RHEED осцилляции во время роста SL-3 (Рис. 1a) подтверждают слой-за-слоем осаждение и точный контроль толщины. РД паттерны (Рис. 1b) показывают острые (001) рефлексии для всех SL-n образцов; LSMO пики сдвигаются к более высоким 2θ, в то время как BTO пики сдвигаются ниже, указывая на растяжение в LSMO и сжатие в BTO, сохраняющееся через многослойную структуру. Рамановские спектры (Рис. 1c) раскрывают незначительный низкочастотный сдвиг (~252 см⁻¹) в SL-10 относительно LSMO(40), согласованный с растяжением, накладываемым BTO. Высокоразрешающая ТЭМ (Рис. 2a-b) подтверждает атомно-острые, полностью напряженные интерфейсы без интердиффузии, подтверждая выводы РД.

Температурно-зависимая намагниченность (Рис. 3a) показывает драматическое увеличение T_C для серии SL-n по сравнению с ультразвуковой LSMO(3) (T_C ≈ 45 К). SL-10 достигает T_C ≈ 310 К, значительно выше комнатной температуры. Гистерезисные петли при 5 К (Рис. 3b) демонстрируют четкий ферромагнетизм с насыщенной намагниченностью M_s ≈ 1,5 μ_B/Mn (исключая LSMO(3)). Легкая ось лежит in-plane для всех SL-n, согласуясь с наблюдаемой орбитальной заселенностью.

РЛД спектры (Рис. 4a-b) для SL-3 и SL-10 раскрывают отрицательный ΔРЛД на Mn L₂ ребре, указывая на преференциальную заселенность e_g(x²–y²) орбитали. Величина ΔРЛД больше в SL-10, соответствующая более высокому T_C. Растяжение от 4% несоответствия решетки (BTO a = 0,397–0,403 нм против LSMO a = 0,387 нм) вынуждает условие c < a, стабилизируя in-plane орбиталь и усиливая путь двойного обмена в (001) плоскости. Следовательно, высокий T_C исходит от усиленного in-plane ферромагнитного сцепления, а не только от интерфейсных слоев, в контрасте с более ранними теоретическими предсказаниями, акцентирующими только центральные LSMO слои.

Сопротивляемость измерения (Рис. 4c) показывают металл-диэлектрик переходы при T_MI ≈ 178 К (SL-3) и 310 К (SL-10), совпадающие с их соответствующими T_C значениями, укрепляя связь между ферромагнетизмом и итенрантным электронным транспортом. Усиленный двойной обмен в (x²–y²) канале объясняет наблюдаемую высокотемпературную металличность.

Заключение

Мы продемонстрировали, что вставка BaTiO₃ слоев в La_0.67Sr_0.33MnO₃ сверхрешетки систематически повышает температуру Кюри выше 310 К. Ключевой механизм — напряжение-индуцированная преференциальная заселенность Mn e_g(x²–y²) орбитали, которая усиливает in-plane двойное обменное ферромагнетизм. Этот подход предоставляет практический путь к инженерии высокотемпературного ферромагнетизма в ультразвуковых манганитных пленках, прокладывая дорогу к надежным магнитоэлектронным устройствам, функционирующим далеко выше комнатной температуры.

Аббревиатуры

АСМ:

Атомно-силовая микроскопия

BHF:

NH₄F-буферизованный HF раствор

FFT:

Быстрое преобразование Фурье

M_s:

Насыщенная намагниченность

PLD:

Лазерное осаждение

PPMS:

Система измерения физических свойств

RHEED:

Реально-временная рефлексионная высокоэнергетическая электронная дифракция

SQUID:

Сверхпроводящий квантовый интерферометр

T_C:

Температура Кюри

ТЭМ:

Трансляционная электронная микроскопия

TEY:

Полный электронный выход

T_MI:

Температура металл-диэлектрик перехода

XAS:

Рентгеновская абсорбционная спектроскопия

РЛД:

Рентгеновская линейная дихроизм

РД:

Рентгеновская дифракция