WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |
Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 10 Изменения электронных, оптических и магнитных свойств пленок LaSrMnO при переходе от ромбоэдрической к орторомбической фазе © В.Д. Окунев, З.А. Самойленко, Т.А. Дьяченко, R. Szymczak, S.J. Lewandowski, H. Szymczak, M. Baran, P. Gierlowski Донецкий физико-технический институт Национальной академии наук Украины, 83114 Донецк, Украина Институт физики Польской академии наук, 02-668 Варшава, Польша E-mail: okunev@host.dipt.donetsk.ua (Поступила в Редакцию 26 сентября 2003 г.

В окончательной редакции 24 февраля 2004 г.) Показано, что с изменением температуры роста Ts свойства пленок LaSrMnO в области перехода ромбоэдрической фазы в орторомбическую (600-650C) зависят от взаимодействия металлических (ферромагнитных) Mn-O-кластеров в диэлектрической (антиферромагнитной) матрице. При Ts 600C низкая плотность eg-состояний и диэлектрическая щель (Eg = 0.3-0.5eV) обеспечивают оптическую прозрачность в области = 0.5-2 eV, разницу между FC- и ZFC-измерениями намагниченности M(T ), высокие значения сопротивления и появление участков, R(T ) const, связанных с превращением кластеров в систему туннельно-связанных квантовых точек. При Ts 650C локальное увеличение атомной и электронной плотности вызывает снижение оптического пропускания и сопротивления на 3-9 порядков с максимумом и минимумом на зависимостях R(T ) пленок и увеличение M (10 K) на порядок. Сделан вывод о том, что магнитное упорядочение системы кластеров при туннельной связи между ними стимулирует увеличение размера кластеров и концентрации металлической (ферромагнитной) фазы.

Данная работа частично поддержана грантом № PBZ-KBN-013/T08/19 правительства Польши.

1. Введение 2. Приготовление пленок и методика эксперимента Лантан-марганцевые оксиды типа LaSrMnO, обнаруживающие эффект гигантского магнетосопротивления и Пленки получены методом импульсного лазерного привлекающие внимание исследователей разнообразием распыления мишени La0.6Sr0.2Mn1.2O3 при использосвойств и перспективами практического применения, вании эксимерного лазера (KrF, 25 ns, плотность в зависимости от технологии приготовления и нали- энергии на мишени = 3.0J/cm2, давление кислорода чия напряжений в системе могут иметь перовскитовые в рабочей камере P0 = 300 mTorr). Нестехиометричеструктуры различного типа (от кубической до ромбо- ский состав с избытком марганца был взят для того, эдрической) [1–5]. Разнообразие структур приводит к чтобы стимулировать кластерообразование в структуре разнообразию свойств. Например, переход из ромбоэд- образцов [6]. Осаждение пленок осуществлялось на рической в орторомбическую структуру вызывает каче- подложках из SrLaGaO4 при Ts = 450-730C.

ственные изменения в оптических спектрах и характере Метод импульсного лазерного осаждения являеттемпературных зависимостей R(T ), а также снижение ся уникальной технологией, позволяющей выращивать сопротивления на 7-10 порядков [6]. Наиболее интерес- пленки высокого качества сложного состава с сохранеными оказываются образцы с переходной структурой, нием стехиометрии химических элементов, свойственкоторые можно получать, выращивая пленки в интер- ной мишени [8–12]. О соответствии составов пленок и вале температур Ts от 600 до 670C (Ts — темпе- мишеней в настоящей работе свидетельствуют резульратура синтеза) [6]. Упругие напряжения на границе таты экспериментальных исследований: 1) при высоких раздела пленка-подложка могут как задерживать, так температурах роста пленок (Ts > 670C) реализуется и стимулировать развитие фазового перехода. Наиболее однофазное состояние, свойственное мишени, — орнизкую температуру перехода имеют пленки на подлож- торомбическая фаза Pnma с табличными параметрами ках из SrLaGaO4. Влияние ориентации подложек и свя- кристаллической решетки [6]; 2) определенная из измезанных с этим напряжений на свойства тонких пленок рений намагниченности температура Кюри Tc = 310 K манганитов подробно исследовано в [7]. В настоящей для пленок с Ts = 700Cблизка к Tc = 311 K мишени.

работе приводятся результаты, связанные с изучением Структура пленок исследовалась с использованием влияния изменений типа атомного порядка (при перехо- длинноволнового Cr K-излучения фотометодом, облегде от ромбоэдрической структуры к орторомбической) чающим регистрацию диффузного рассеяния рентгеновна физические свойства пленок манганитов. ских лучей в случае кластеризованных твердых раство1832 В.Д. Окунев, З.А. Самойленко, Т.А. Дьяченко, R. Szymczak, S.J. Lewandowski, H. Szymczak...

ров, каковыми являются наши объекты. Электрические измерения в интервале температур 4.2-300 K проводились по стандартным методикам. Спектры оптического пропускания пленок изучались при комнатной температуре в диапазоне = 0.5-3.5 eV с помощью модернизированного спектрофотометра SP 700 C. Магнитные измерения осуществлялись СКВИД-магнитометром в интервале температур 4.2-300 K.

3. Результаты эксперимента 3.1. С т р у к т у р а п л е н о к. Изменение типа структурных состояний обеспечивалось ростом слоев LaSrMnO в интервале 450 < Ts < 730C. Ранее проведенные исследования дифракционных картин от пленок La0.6Sr0.2Mn1.2O3, выращенных в этом интервале Ts, показали, что по мере повышения Ts тип кристаллографических состояний образцов изменяется по схеме R(3c) R(3c) +O(Pnma) O(Pnma) Ts>670C Ts<650C с переходом из однофазной ромбоэдрической (R3c) Рис. 2. Фрагменты дифракционных картин от области в однофазную орторомбическую O(Pnma) через La0.6Sr0.2Mn1.2O3, включающих расссеяние Mn-O-содержащих кластеров, для температур синтеза Ts = 450, 600, 650, 700C.

двухфазную в интервале Ts = 650-670C [6]. Гетерогенное состояние кристаллических пленок проявляется в том, что в матричную структуру с дальним порядком когерентно встроены кластеры мезоскопического порядка и размера, как это видно из полной дифракционной картины (рис. 1).

Из кластеров наиболее важными представляются те, которые образованы семейством Mn-O-плоскостей и обеспечивают проводящие и магнитные свойства LaSrMnO; в ромбоэдрической фазе это отраже ния (203, 203)R и (400)R, а в орторомбической — (202)O и (004)O (рис. 2). Размеры Mn-O-содержащих кластеров, рассчитанные с учетом ширины указанных диффузных максимумов на основе методики Л.И. Китайгородского, развитой в работе [13], мало изменяются, флуктуируя вблизи 100. Основные изменения структуры, как следует из рис. 2 при сравнении вида диффузных максимумов от различных образцов, связаны с разным соотношением растянутых и сжатых плоскостей в кластерах. Это характеризует наличие внутренних напряжений в мезоскопических областях (кластерах) и проявляется в асимметрии соответствующих диффузных максимумов. Рассмотрим характер изменений интенсивностей диффузного рассеяния в дискретных углах дифракции (рис. 2), значения которых выбраны по Рис. 1. Общий вид дифракционной картины от пленок принципу их соответствия величинам межплоскостных La0.6Sr0.2Mn1.2O3 (Лауэ-рефлексы и микрофотометрическая кривая, полученная по осевой линии дебаеграммы). расстояний d = n/2 sin (уравнение Вульфа-Брэггов), Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. Изменения электронных, оптических и магнитных свойств пленок LaSrMnO... Суммируя величины интенсивностей во всех четырех указанных точках на дифракционных картинах, приведенных на рис. 2, можем сравнить плотности структурных состояний, связанных с Mn-O-комплексами, в том числе и содержащих в сопоставимых пропорциях ионы Mn3+ и Mn4+, которые ответственны за металлическую проводимость и ферромагнетизм. Как видно из кривой на рис. 3, b, в интервале 450 < Ts < 600C существенно более низкие значения интенсивности по сравнению с интервалом 600 < Ts < 700C показывают, что в ромбоэдрической фазе плотность указанных структурных состояний меньше по величине, чем в орторомбической фазе. Эти результаты согласуются с исследованиями электронных и оптических свойств пленок.

3.2. Спектры оптического пропускания. Об изменениях электронной структуры пленок LaSrMnO в области фазового перехода свидетельствуют спектры оптического пропускания (рис. 4). Для пленок с Ts < 600C (ромбоэдрическая фаза) оптическая прозрачность в длинноволновой ( <2eV) области спектра высока; там наблюдаются два близких по интенсивности максимума (A и C), разделенные минимумом B при 1.1 eV, характеризующим максимум в плотности электронных состояний, участвующих в оптических пеРис. 3. Интенсивности когерентного рассеяния рентгеновских реходах. Присутствие металлических кластеров проявлучей от пленок, выращенных при различных Ts. a —от семейств растянутых (d>) или сжатых (d<) плоскостей ляется в наличии на спектрах участков OA, связанных Mn-O-кластеров; b — в дискретных углах дифракционных с поглощением свободными носителями заряда при кривых от Mn-O-кластеров.

<0.8 eV. Они выявляются по снижению пропускания t с уменьшением. Наблюдению таких участков способствовало то, что максимальная энергия кванта, возможная при внутризонных оптических переходах и равных длинам связей Mn-O для ромбоэдрической и соответствующая энергии Ферми в кластерах с меорторомбической фаз в манганитах, согласно [14].

таллической проводимостью, ниже оптической ширины Следует обратить внимание на симметричное расзапрещенной зоны. С этим связана высокая оптическая положение указанных углов относительно центра прозрачность пленок в длинноволновой области спектра.

(обозначенного линией C), разделяющего исследуемую Край поглощения размыт, и щель шириной 2.5eV область дифракции на два структурно-симметричных выявляется на рис. 4, b по резкому уменьшению t( ).

(относительно отражений, указанных в виде четырех Сдвиг пороговых энергий в длинноволновую область вертикальных линий на рис. 2) состояния: d > dc с до 1.2 eV (максимум C на кривых 1, 2 рис. 4, a) большими межионными (межплоскостными) расстояни обусловлен наличием кластеров с металлической проями (слева от C) и d < dc с меньшими величинами водимостью в диэлектрической R3c-фазе и влиянием таких расстояний (справа от C). Измерив ординаты туннелирования электронов на межзонные оптические интенсивностей в указанных точках слева и справа от C переходы [15]. Благодаря встроенным электрическим на дифракционных кривых для исследуемых пленок, мы полям пороговая энергия для межзонных переходов проанализировали влияние температуры роста на сум марные интенсивности отражений (202)O и (203, 203)R существенно понижается. В этом случае коротковолновую область спектра можно аппроксимировать линейной (кривая d< на рис. 3, a) и (400)R и (004)O (кривая d>).

зависимостью пропускания от энергии кванта Из рисунка видно, что вблизи Ts = 600C имеется „область разрыхления“, когда в структуре преоблаt = f (r) C - B, (1) дают „растянутые“ состояния, поскольку здесь I(d>) превышает I(d<). Для образцов же, выращенных при Ts < 600C или Ts > 600C, преобладают „сжатые“ со- B = (t)d/0, C = (t)d 1 + t/0, t — пороговая стояния элементов структуры, что связано с усилением частота, d — толщина пленки, 0 — характеристическая Mn-O-взаимодействия в этих интервалах Ts по сравне- энергия. Это согласуется с поведением кривой 1 (при нию с ситуацией при Ts = 600C. = 1.2 - 2.2eV).

Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. 1834 В.Д. Окунев, З.А. Самойленко, Т.А. Дьяченко, R. Szymczak, S.J. Lewandowski, H. Szymczak...

обусловленный поглощением свободными носителями заряда.

Группа образцов с Ts > 600C оптически менее прозрачна. Их спектры проще и более изучены [18,19]:

имеется единственный минимум D в пропускании при h 1.5 eV и один максимум E в интервале 1.7-2.2eV (рис. 4, b). Следует отметить, что минимум при 1.5 eV, свойственный образцам с орторомбической структурой, проявляется в пленке с Ts = 450C, а в пленке с Ts = 600C виден уже отчетливо (рис. 4, a). С увеличением Ts от 600 до 650C пропускание резко падает, и для Ts = 650 и 700C спектры уже мало чем различаются. Это видно из сравнительных спектров поглощения ( при Ts = 700C)/( при Ts = 450, 600, 650C), представленных на рис. 5. Отношение величин для образцов с Ts = 700 и 650C экспоненциально уменьшается с увеличением энергии кванта (кривая на рис. 5) Рост плотности состояний (не более чем в 1.5 раза) с уменьшением свидетельствует об увеличении концентрации свободных носителей заряда.

Действительно, коэффициент оптического поглощения пропорционален оптической проводимости (), хорошо согласующейся с поведением проводимости на постоянном токе, = 4 ()/n0c, (3) где n0 — показатель преломления, c — скорость света.

В длинноволновой области преобладают внутризонные оптические переходы, с уменьшением увеличивается вклад в поглощения свободными носителями заряда [20]. С учетом этого можно заключить, что кривая 1 свидетельствует об увеличении концентрации металлической фазы при переходе от Ts = 650 к 700C Рис. 4. Спектры оптического пропускания пленок LaSrMnO для Ts = 450 (1), 600 (2), 650 (3), 700C (4).

Для определения концентрации металлической фазы Cm (на участке OA) удобно использовать функцию [15,16] 1 dt Cm p, (2) t d( ) где p — концентрация дырок. Величина Cm = 0.02-0.для Ts < 600C [17]. Спектр пленки с Ts = 600C по форме и значениям t близок к спектру образца с Ts = 450C (рис. 4, a, b): наблюдается характерный для Рис. 5. Сравнительные спектры оптического пропускания образцов с низкими Ts минимум t в длинноволновой образцов. 1 — (700)/(450), 2 — (700)/(600), 3 — области (при = 0.9eV). Но уже отсутствует участок, (700)/(650).

Физика твердого тела, 2004, том 46, вып. Изменения электронных, оптических и магнитных свойств пленок LaSrMnO... и подтверждается снижением удельного сопротивления (от 3.2 · 10-1 до 3.65 · 10-2 · cm при T = 290 K и от 5 · 10-2 до 3.6 · 10-3 · cm при T = 4.2K). Поглощение свободными носителями заряда в спектрах пленок орторомбической фазы (с Ts > 600C) наблюдается при <0.2eV [20], поэтому на рис. 4 они не видны. В двух других случаях (кривые 1, 2 на рис. 5) относительные спектры значительно сложнее. Они отражают основные особенности спектров пропускания, показанных на рис. 4, a, и подтверждают сходство электронных структур образцов с Ts = 450 и 600C.

При >2.2 eV пропускание быстро падает с ростом. Как видно из поведения кривых на рис. 4, b, несмотря на качественные и количественные различия в оптических спектрах пленок с орторомбической и ромРис. 6. Спектры поглощения в координатах ( )1/2-.

боэдрической структурами, в коротковолновой области Ts, C: 1 — 450, 2 — 600, 3 — 650, 4 — 700.

спектры очень похожи. Можно предположить, что оптические переходы здесь обусловлены одними и теми же механизмами. Полученные результаты позволяют опреэлементарной ячейки последней: VR/VO 2. В длинделить щели в плотности состояний. Для систем с неупоноволновой и средней областях спектра, включая и рядоченной структурой, к которым следует отнести 1.5 eV, где велик вклад в плотность состояний изучаемые образцы, характерна зависимость ( ) [21] ионов Mn3+, эта разница может превышать порядок по ( ) - Eg opt, (4) величине (рис. 5).

Pages:     || 2 | 3 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.