WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 6 11;12 Фазовые переходы в атомной, электронной и магнитной подсистемах пленок LaSrMnO с изменением температуры роста © З.А. Самойленко,1 В.Д. Окунев,1 Е.И. Пушенко,1 Н.Н. Пафомов,1 2 R. Szymczak,2 M. Baran,2 S.J. Lewandowski 1 Донецкий физико-технический институт НАН Украины 83114 Донецк, Украина 2 Instytut Fizyki PAN, 02-668 Warszawa, Poland e-mail: okunev@mail.fti.ac.donetsk.ua (Поступило в Редакцию 17 июня 2005 г.) Рассмотрена эволюция кластеризованной структуры в аморфных пленках LaSrMnO с повышением температуры роста от 20 до 300C. Показано, что при этом имеют место два фазовых перехода типа порядок-беспорядок, различающиеся масштабным параметром. Один из них — формирование мелких ( 20 ) аморфных кластеров из неупорядоченно расположенных атомов при Ts = 100C, что проявляется в экстремальном увеличении интенсивности диффузного рассеяния рентгеновских лучей в виде гало 1 при уменьшении до минимальной интенсивности некогерентного рассеяния (фона). Повышение температуры до Ts = 150C приводит к доминированию процессов разупорядочения (Iincoh = Imax), предшествующих второму фазовому переходу (Ts = 250-300C) — новому этапу упорядочения структуры, при котором из крупных (> 100 ) кристаллических кластеров формируется кристаллическая фаза (переход аморфное состояние-кристалл) с появлением дебаевских линий при одновременном ослаблении интенсивности гало. Показано, что структурный фазовый переход, приводящий к формированию дальнего порядка, сопровождается уменьшением удельного сопротивления образцов LaSrMnO от 1010 до 101 · cm с изменением механизма проводимости от свойственного гранулированным системам туннельного механизма с участием металлических кластеров до прыжкового с переменной длиной прыжка, соответствующего -1/4 закону Мотта: exp(T ). В магнитной подсистеме происходит переход от парамагнитного состояния к ферромагнитному.

PACS: 68.48.Jk Введение нестехиометрического состава мишени способствовало локальному обособлению структурных групп типа M2OКак показали предыдущие исследования структры (M = La, Sr, Mn) [4] различного состава: (LaMnO3)1-2x;

пленок металлооксидов, из одной и той же мишени, (SrMnO3)x и (Mn2O3)x и расширению температурварьируя температуру роста и тип подложек, методами ных пределов существования аморфной фазы. Толкатодного распыления или имульсного лазерного оса- щина пленок составляла 0.3-2.5 µm. Электропроводждения можно получить широкий диапазон структурных ность измерялась стандартными методами. Намагниченсостояний — от аморфных до монокристаллических, с ность тонких пленок определялась с помощью SQUIDизменением свойств от диэлектрических до металличе- магнетометра. Для получения дифракционных картин ских и от парамагнитных до ферромагнитных [1–6]. использовалось длинноволновое Cr K-излучение, обесВ предлагаемой работе излагаются результаты ис- печивающее высокое угловое разрешение диффузного следований эволюции атомного порядка в пленках рассеяния, необходимое при анализе тонкой структуры LaSrMnO с изменением температуры роста в интервале кластеризованных материалов [1].

Ts = 20-300C, в начале которого имеем аморфную структуру, а в конце — переход в кристаллическое Экспериментальные результаты состояние с увеличением электропроводности на десять и обсуждение порядков (при T = 220 K) и с изменением типа магнитного взаимодействия от парамагнитного к ферромагнитНа дифракционных картинах от пленок a-LaSrMnO ному.

с Ts = 20-300C одновременно проявляются три вида рассеяния рентгеновских лучей (рис. 1): a — когерентМатериал и методики эксперимента ное в виде основных диффузных максимумов (гало);

b — когерентное диффузное — флуктуации интенсивПленки La0.6Sr0.2Mn1.2O3 были получены методом ности над гало; c — некогерентное диффузное — катодного распыления мишени на постоянном токе в фон, усиливающийся с ростом угла (Iincoh sin2 ).

атмосфере кислорода [7] при максимально возможном Этот результат доказывает наличие в структуре следавлении газа в рабочей камере ( 3 Torr), при кото- дующих типов разномасштабных группировок атомов:

ром поддерживается стабильный разряд. Использование 1 — мелких ( 20 ) аморфных кластеров (формируют 112 З.А. Самойленко, В.Д. Окунев, Е.И. Пушенко, Н.Н. Пафомов, R. Szymczak...

Рис. 1. Дифракционные картины от пленок a-LaSrMnO, различающихся температурой роста Ts.

гало); 2 — мезоскопических (100-300 ) кристаллических кластеров (имеют вид диффузных максимумов над гало); и 3 — разупорядоченной межкластерной среды со средне-статистическим распределением атомов Рис. 2. Зависимость интегральной интенсивности элементов (проявляется в виде фона). дифракционной картины (Itotal = 100%) от температуры роста Ts пленок: a,b —гало 1 и 2 соответственно; c — некогерентноПроанализируем характер изменений интегральных го рассеяния; d — суммарного когерентного рассеяния (вклюинтенсивностей для указанных трех структурных групп чая интенсивность флуктуационных максимумов над гало).

в зависимости от температуры роста пленок Ts. УчиЖурнал технической физики, 2006, том 76, вып. Фазовые переходы в атомной, электронной и магнитной подсистемах пленок LaSrMnO... Мелкие группировки атомов Как видно из рис. 2,a, c,d в исследованных структурах мелкие группировки атомов занимают основной объем материала ( 80-90%). При этом экстремального вида изменения интенсивностей гало (рис. 2,a,d) и фона (c) имеют противоположный характер, когда максимуму порядка, I(a)_1 = Imax и I(coh) =Imax, соответствует наименьшее разупорядочение, I(incoh) =Imin. Этот результат доказывает противоборство процессов упорядочения и разупорядочения типа фазового перехода беспорядок-порядок [8] в интервалах Ts = 50-100 и 150-300C с промежуточным разупорядочением при Ts = 100-150C. Следует заметить, что упорядочение и разупорядочение в атомной структуре пленок при температуре роста слоев Ts < 150C связано с мелкими фракциями конденсирующейся плазмы, которые представляют основную массу вещества, то с большей плотностью, когда усиливается интенсивность когерентного рассеяния в виде гало 1 (Ts = 100C), то с меньшей, когда, напротив, усиливается интенсивность некогерентного рассеяния в виде фона (Ts = 150C).

Вклад интенсивности гало 2 в I(coh) заметен в структурах, полученных при Ts > 150C (рис. 1 и 2,b, d).

Экспериментально выявленная особенность в увеличении плотности проявилась в том, что пленки, находящиеся в аморфном состоянии и имеющие один и тот же состав, но с более упорядоченным расположением атомов (Ts = 100C), имеют удельное сопротивление (измеренное при T = 270 K) на три порядка ниже, чем образцы с менее упорядоченным расположением атомов (Ts = 150C):

270 = 7.47 · 105 · cm(Ts = 100C) 270 = 1.28 · 108 · cm(Ts = 150C).

Механизмы электропроводности (туннелирование носителей заряда между кластерами с металлической проводимостью) в этих двух случаях одинаковы.

Следующее усиление (20-60%) интенсивности когеРис. 3. Зависимость интегральной интенсивности диффузных рентного рассеяния при Ts > 150C (рис. 2,d) обусловмаксимумов от кристаллических кластеров орторомбической и лено не только упорядочением мелких группировок аторомбоэдрической фаз для областей: a —гало 1; b —гало 2;

мов, поскольку изменение интенсивности рассеяния от c — от кластеров „металлической“ фазы на гало 2.

них не превышает 10% (рис. 2,a,b). Анализ дифракционных картин показал, что существенный вклад в интентывая вид дифракционных отражений и их располосивность когерентного рассеяния вносят максимумы от жение (рис. 1), проведем анализ для интервала углов более крупных группировок атомов — кристаллических = 16-40. При этом суммарная интегральная инCr кластеров (проявляющихся в виде флуктуационных мактенсиность первого и второго гало I(a)_1 и I(a)_симумов интенсивности над гало), особенно в интервале от аморфных кластеров, а также I(c)_1 и I(c)_2 от Ts = 250-300C (рис. 3).

кристаллических кластеров; их сумма I(coh) и I(incoh) от разупоряченно расположенных центров принимались за 100%. Долевые вклады от мелких групп (аморфных Крупные группировки атомов кластеров и разупорядоченной среды) представлены на рис. 2, а от более крупных группировок (кристалличе- Ф а з о в о е р а з д е л е н и е. При сравнении дифракциских кластеров кубической, орторомбической и ромбо- онных картин, полученных для образцов с Ts=20-150C эдрической фаз) —на рис. 3. (рис. 1,a,b) и с Ts = 150-300C (рис. 1,b,c), видно, 8 Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 114 З.А. Самойленко, В.Д. Окунев, Е.И. Пушенко, Н.Н. Пафомов, R. Szymczak...

Рис. 4. Штрих-диаграммы распределения интенсивности диффузного рассеяния (пересчитанной в единицы концентрации) от кристаллических кластеров в зависимости от их размера в структурах пленок для различных температур роста Ts.

что для второго интервала характерны более резкие пленок в их структуре формируются более крупные контуры диффузных максимумов над гало с появлением группировки атомов, характер расположения атомов отдельных ярких линий в случае Ts = 300C (рис. 1,c). в которых соответствует скорее дальнему порядку Это показывает, что с повышением температуры роста кристаллической структуры, чем разупорядоченной Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. Фазовые переходы в атомной, электронной и магнитной подсистемах пленок LaSrMnO... аморфной среде с ближним порядком в расположении атомов. Используя методику Китайгородского [9], мы оценили размеры кластеров для изучаемых образцов (рис. 4).

Экспериментальные результаты (рис. 4) свидетельствуют о многообразии структурных групп, формирующихся при распылении мишени одного и того же состава в результате изменения температуры роста пленок Ts.

Немонотонный характер распределения концентрации и размеров крупных группировок атомов с ростом Ts (рис. 4) свидетельствует о противоборстве порядка и беспорядка в кристаллографических плоскостях, включающих в себя различные сочетания химических элементов, объединяющихся в группировки различных размеров в структуре пленок. При этом выявляются следующие закономерности процесса атомного упорядочения.

А т о м н о е у п о р я д о ч е н и е. В многокомпонентной системе термодинамически выгодно [10] возникновение гетерогенной структуры, состоящей из малых тонких (h = D/3) частиц (кластеров) упорядоченной фазы в гомогенной неупорядоченной аморфной среде. При этом резкая зависимость электронной энергии (энергии косвенного взаимодействия атомов сплава с участием электронов проводимости) от амплитуды и волнового вектора возмущающего потенциала, связанного с неоднородностью параметра порядка (высоким и низким локальным порядком) может приводить к эффективному взаимодействию атомов сплава на расстояниях, значительно превышающих межатомные [10].

С помощью рис. 4, по виду штрих-диаграмм, анализируемые образцы можно разделить на три группы с разномасштабным порядком.

Группа разновеликих кластеров размером D = 100-При низкой температуре осаждения пленок (Ts = 20-100C) в аморфной структуре присутствуют преимущественно кристаллические кластеры размером D = 100-200. Наряду с этим размер значительного количества кластеров составляет 200-400.

Э л е к т р и ч е с к и е с в о й с т в а данной группы образцов имеют отличительные особенности, обусловленные сочетанием высоких значений удельного сопротивлеРис. 5. Типичные температурные зависимости электрического ния с немонотонностью зависимости (t) с налисопротивления для пленок a-LaSrMnO, различающихся темпечием на кривых минимума min и максимума max ратурой роста Ts : a — 20; b — 150; c — 300C.

(рис. 5,a). Следует отметить, что зависимости такого вида с min и max характерны для образцов манганитов с монокристаллической структурой и отражают активное участием металлических кластеров в диэлектрической влияние магнитного упорядочения в металлических кламатрице [4,5].

стерах на их размер D, увеличивающийся с понижением При туннелировании электронов между кластерами температуры. Подстраивание атомов в периферийных удельное сопротивление пленок экспоненциально растет зонах к структуре центральных областей кластеров с увеличением среднего расстояния (L) между ними:

приводит к уменьшению межкластерного интервала L и снижению удельного сопротивления образцов, которое L = 0 exp. (1) определяется туннельным механизмом проводимости с L8 Журнал технической физики, 2006, том 76, вып. 116 З.А. Самойленко, В.Д. Окунев, Е.И. Пушенко, Н.Н. Пафомов, R. Szymczak...

Группа мелких кластеров Группа мелких кластеров сформировалась в структурах, полученных при Ts = 150-200C. Как видно из рис. 4, особенность этих структур представлена кластерами малых размеров D = 100-200, соответствующих критической величине устойчивого кристаллического зародыша (100 ).

Электрические свойства образцов этой группы обусловлены малыми размерами кластеров, что проявляется в характерных зависимостях R(T ) с протяженными участками R(T ) =const (рис. 5,b). Малые размеры кластеров с металлической проводимостью обеспечивают возникновение дискретного энергетического спектра с расстоянием между уровнями размерного квантоваРис. 6. Величина удельного сопротивления образцов (при ния E, превышающим тепловую энергию kT. При T = 290 K) в зависимости от межкластерного расстояния.

температурах ниже критической, т. е. при выполнении условия kTcrit

где концентрация металлической фазы Cm = D3 1 и 3 (L+D)Магнитные свойства. Для образцов обеих групп расстояние между кластерами L = D (3Cm)- 3 - 1 [5].

с Ts = 20-100 и Ts = 150-200C температурные завиВеличина Cm определялась из рентгеноструктурных симости намагниченности (и магнитной восприимчиводанных. В исследуемых пленках концентрация мести) типичны для парамагнетиков и подчиняются закону таллической фазы достигала 0.16 (для Ts = 200C), Кюри-Вейсса:

Pages:     || 2 |



© 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.