Tuning transport, magnetic and structural properties of La0.5Ca0.5MnO3 films by epitaxial strain

Abstract

The perovskite-type doped rare earth manganites have a rich phase diagram due to a delicate balance between several ordering mechanisms such as charge-, orbital- as well as spin order superimposed to lattice effects caused by distortions of the oxygen octahedra surrounding the Jahn-Teller ion Mn3+. Chemically homogeneous materials can appear as electrically inhomogeneous in locally separated electronic phases. This phase separation in manganites is very sensitive to external perturbations such as high magnetic fields and epitaxial strain. In this study, La0.5Ca0.5MnO3 -LCMO- (at the boundary between ferromagnetic (FM) metallic and charge-ordered antiferromagnetic (AFM) insulator) thin films are chosen as an example to investigate the competition between these different phases. LCMO films of various thicknesses are deposited on (001), (111) SrTiO3, (001) SrLaGaO4 and SrLaAlO4 substrates by the pulsed laser deposition method. Characterization of the structural, electrical and magnetic properties of the films is performed by X-ray diffraction, atomic force microscopy, transmission electron microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, Raman spectroscopy, resistivity and magnetization measurements. The present study shows that it is possible to stabilize a wide range of the electronic phases from an insulator to metallic and vary the magnetization values more than an order of magnitude using the substrate material as a knob to modify the film properties. Furthermore, it is found out that the oxygen stoichiometry, changed by heat treatments in vacuum or under O2 flow at a constant background pressure, has a strong effect on the structural, magnetic and electronic properties of LCMO thin films. In the as deposited state, the films have a certain density of oxygen vacancies determining the physical properties in addition to cation composition and epitaxial strain.

Werden Manganate, die in der Perowskitstruktur kristallisieren, mit Erdalkalielementen dotiert, stellt sich ein komplexes elektronisches Phasendiagramm ein. Dies beruht auf einem empfindlichen Gleichgewicht unterschiedlicher Ordnungsmechanismen wie z.B. Ladungs-, Spin- und Orbitalordnung. Ihm überlagert sind Gitterwechselwirkungen, die wesentlich von der Verzerrung der die Jahn-Teller Ionen Mn3+ umgebenden Sauerstoffoktaeder herrühren. Chemisch homogene Materialien erscheinen so elektronisch inhomogen, auf mesoskopischer Skala stellt sich eine Phasenseparation ein. Die Phasenseparation in Manganaten reagiert deswegen sehr empfindlich auf äußerliche Störungen wie magnetische Felder oder epitaktische Verspannungen. In dieser Arbeit sollen die Einflüsse epitaktischer Spannungen und äusserer Magnetfelder auf die physikalischen Eigenschaften beispielhaft am System La0.5Ca0.5MnO3 (LCMO) untersucht werden. Die Dotierung wurde so gewählt, dass sie an der Grenze zwischen einem ferromagnetischen Metall und einem durch Ladungsordnung generierten antiferromagnetischen Isolator liegt. Strukturell phasenreine dünne Schichten aus LCMO unterschiedlicher Schichtdicken wurden mittels gepulster Laserablation (PLD) auf verschiedenen Substraten (SrTiO3 mit (001)- und (111)-Orientierung sowie auf SrLaGaO4 und SrLaAlO4 mit (001)-Orientierung) abgeschieden. Die strukturellen, elektrischen und magnetischen Eigenschaften dieser dünnen Schichten wurde mittels Röntgendiffraktometrie, Rasterkraft-(AFM) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), Photoelektronenspektroskopie(XPS), Raman-Spektroskopie, Widerstandsmessungen und Magnetisierungsmessungen bestimmt. Die Untersuchungen zeigen, dass es möglich ist, eine große Bandbreite von elektrischen Phasen, vom Isolator bis hin zum Metall, zu stabilisieren und dabei die Magnetisierung mehr als eine Größenordnung zu ändern, in dem man das Substrat als Stellschraube für die Modifikation der Schichteigenschaften nutzt. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Sauerstoffstöchiometrie, geändert durch Wärmebehandlung im Vakuum oder im O2-Strom bei einem konstanten Partialdruck, einen starken Effekt auf die strukturellen, magnetischen und elektronischen Eigenschaften von dünnen LCMO-Schichten bewirkt. Ferner zeigte es sich, dass selbst unbehandelte epitaktisch gewachsenen Schichten eine gewisse Konzentration von Sauerstoffleerstellen besitzen, die neben der Zusammensetzung der Kationen und der epitaktischen Spannung, die physikalischen Eigenschaften wesentlich bestimmen.