Magnetismus der LaMnO 3 /SrMnO 3 -Übergitter

L M O ( 6 M L ) S M O ( 2 M L )

S i m u l a t i o n e n :

S M O / L M O ( n = 3 ) S T O ( 0 0 1 )

Abbildung 9.21.: Zur Signifikanz der ermittelten WerteLT F (i= 1−3) (vergleiche Ab-bildung 9.20): Im Diagramm sind die simulierten Verläufe von ∆ (t) für verschieden ausge-wählte Werte von LT F(i) gezeigt, um sie mit den Messdaten und der in Abbildung 9.19 gezeichneten Simulation zu vergleichen (Zur besseren Übersicht wurden die Kurven entlang

∆ verschoben.).

9.4. Magnetismus der LaMnO

/SrMnO

-Übergitter

In diesem Abschnitt soll zunächst ein systematischer Vergleich der LMO/SMO-SL, die auf STO-Substraten der (001)- und (111)-Orientierung gewachsen wurden, erfolgen. Für die He-terostrukturen auf STO (001) beobachtet man die Koexistenz zweier unabhängiger ferroma-gnetischer Phasen. Die Phase mit der kleineren Curie-Temperatur, die Tieftemperaturphase (LTP), folgt qualitativ dem Verhalten, das in der Literatur für diese Art von Übergittern be-richtet wird. Deshalb wird für den Vergleich mit den Übergittern auf STO (111) diese Phase herangezogen. Die zweite Phase mit der größeren Ordnungstemperatur, die Hochtemperatur-phase (HTP), wird dann im darauf folgenden Abschnitt genauer beleuchtet.

Die hier gezeigten magnetischen Messungen wurden entsprechend den Beschreibungen in Abschnitt 5.4 mittels SQUID-Magnetometrie ausgeführt. Soweit nicht anders beschrieben, lag das von außen angelegte Magnetfeld in der Ebene des Filmes und entlang der [100]-Richtung für STO/LSAT (001)- bzw. entlang der [¯1¯12]-Richtung für STO (111)-Substrate.

DieM(T)-Kurven, aus denen die Curie-TemperaturTC ermittelt wird, wurden beim Kühlen mit einer Rate von 3 K/min aufgenommen. Das magnetische Moment der Filme wurde auf die gesamte Zahl der Mn-Ionen normiert.

9.4.1. Vergleich SrTiO₃ (111)- und (001)-Substrat

Da der Abstand zwischen zwei Monolagen entlang der (111)-Richtung mit c₍₁₁₁₎ = ^√1

3c₍₀₀₁₎ deutlich kleiner ist als entlang der (001)-Richtung mit c₍₀₀₁₎, muss man zum Vergleich der Heterostrukturen auf den verschieden geschnittenen Substraten unterschiedliche Werte für n heranziehen, um ähnliche Dicken Λ der LMO/SMO-Doppellagen zu erreichen. Für ein Übergitter auf STO (001) mit n₍₀₀₁₎ wählt man zum Vergleich so ein Übergitter auf STO (111) mitn₍₁₁₁₎= 2·n₍₀₀₁₎. Durch eine entsprechende Wahl der Zahl von Wiederholungenm haben die hier vorgestellten Strukturen eine Gesamtdicke vond_tot =m·Λ = 36±4 nm.

9.4. Magnetismus der LaMnO₃/SrMnO₃-Übergitter 192

0 1 0 0 2 0 0 3 0 0

0123 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0

0123M [µ B/Mn]

T [ K ]

n ≈2 n ≈4 n ≈6 L M O / S M O a u f S T O ( 1 1 1 )

b )

n ≈1 n ≈2 n ≈3

M [µ B/Mn]

T [ K ]

L M O / S M O a u f S T O ( 0 0 1 )

T LC

T _{S T O}

a )

1 2 3

3 0 0 3 2 0 3 4 0 3 6 0

S T O ( 1 1 1 ) S T O ( 0 0 1 ) TC [K]

Λ [ n m ]

Abbildung 9.22.: Vergleich der magnetischen Eigenschaften von LMO/SMO-Übergittern auf STO (001)- und STO (111)-Substraten,M(T)-Messungen: a) STO (001) für n≈1−3 und d_tot = m·Λ = 36±4 nm. Die Temperatur des strukturellen Überganges des STO-Substrates,T_{ST O}= 105 K, und die zur Ermittlung der Curie-Temperatur der Tieftempera-turphase,T_C^L herangezogene Gerade an den Wendepunkt sind eingezeichnet. b) STO (111) n≈2−6 und dtot =m·Λ = 36±3 nm. Das Inset zeigt die Entwicklung vonTC mit der Dicke der Bilagen Λ.

Die in Abbildung 9.22 gezeichneten Übergitter weisen alle einen ferromagnetischen Übergang auf. Die Curie-Temperaturen für n = 1 (STO (001)) und n = 2 (STO (111)) stimmen mit jenen von einfachen Filmen aus LSMO(x=0.3) mit Schichtdicken vond= 30−40 nm überein [97, 267]. Bei der Vergrößerung von Λ kommt es zu einer Abnahme von TC. Diese fällt für die Übergitter auf STO (001) wesentlich ausgeprägter aus als für die Strukturen auf STO (111). Bei der Verdreifachung von Λ reduziert sich T_C um ∆T_C ≈40 K für STO (001) und um ∆TC ≈15 K für STO (111) (Inset Abbildung 9.22 b)). Bei der M(T)-Kurve für n ≈3 fällt außerdem das Vorhandensein eines zweiten Überganges auf, der im nächsten Abschnitt behandelt wird.

Nach dem Einkühlen der Proben aufT = 5 K werdenM(H)-Kurven aufgenommen. Fürn≈ 1,2 zeigen die Heterostrukturen auf STO (001)-Substraten schmale Hystereseschleifen, deren Koerzitivfeld mitH_C = 8,14 Oe im Bereich der Ergebnisse für einfache LSMO-Filme liegt [97].

Auch das magnetische Moment in Sättigung Msat stimmt für diese beiden Heterostrukturen mit dem Wert überein, der sich bei der vollen Ausrichtung aller Mn-Spins ergibt (siehe Inset

- 0 . 4 - 0 . 2 0 . 0 0 . 2 0 . 4

Abbildung 9.23.:Vergleich der magnetischen Eigenschaften von LMO/SMO-Übergittern auf STO (001)- und STO (111)-Substraten, M(H)-Hysteresekurven beiT = 5 K: a) STO (001) fürn≈1−3 undd_tot=m·Λ = 36±4 nm. b) STO (111)n≈2−6 undd_tot=m·Λ = 36±3 nm. Das Inset zeigt das magnetische Moment in Sättigung,M_sat, als Funktion der Bilagendicke (Der theoretische Wert vonM_sat= 3.75µ_B/Mn für die volle Ausrichtung aller Spins ist eingezeichnet.).

9.23 b)). Erhöht sich Λ weiter aufn = 3, so sieht man, dass sich das Moment in Sättigung auf 2.9µ_B/Mn reduziert und das Koerzitivfeld drastisch auf H_C(5 K) = 110 Oe ansteigt.

Msat = 3.2µ_B/Mn ist der Wert, der sich für die vollständige Ausrichtung der Spins in allen LMO-Lagen und in jeweils einer Monolage der SMO-Schichten ergeben würde.

Die Übergitter auf STO (111) weisen fürn≈2−4 sehr kleine Koerzitivfelder mitH_C(5 K)≈ 2 Oe auf, die man auch für einfache LSMO(x=0.3)-Filme erhält [97]. Bei n ≈ 6 ergibt sich ein leichter Anstieg aufH_C ≈20 Oe. Im Gegensatz zu den Übergittern auf STO (001) beob-achtet man aber keinen signifikanten Einbruch der Sättigungsmagnetisierung für die größte Bilagendicke (siehe Inset Abbildung 9.23 b)). Es ist also davon auszugehen, dass für die hier untersuchten Übergitter auf STO (111) ein homogener ferromagnetischer Zustand vorliegt.

Die Ursache dieser Unterschiede im magnetischen Zustand der Übergitter auf STO (001) und (111) ist zunächst in der Verteilung der eg-Elektronen zu suchen. Die Durchmischung der La- und Sr-Ionen für das Wachstum auf STO (111) unterstützt eine homogene Verteilung dere_g-Elektronen. Durch die in-situ Ellipsometrie ergeben sich bereits Hinweise darauf, dass die eg-Elektronen für die Übergitter auf STO (111) deutlich homogener verteilt sind als auf STO (001). Für STO (111) ist der durchschnittliche Brechungsindex der Heterostruktur

9.4. Magnetismus der LaMnO₃/SrMnO₃-Übergitter 194

unabhängig von der Dicke der Bilagen Λ. Beim Wachstum auf STO (001) zeigt sich ein deutlicher Unterschied in N_Av für n ≈1 und n ≈ 3. Die Simulation der Verteilung der eg -Elektronen aus dem gemessenen Verlauf der in-situ Ellipsometrie für n ≈ 3 zeigt überdies, dass in der MnO₂-Lage zwischen zwei SrO-Lagen ein Anteil von x^SrO_SrO ≈ 0.75 Mn⁴⁺-Ionen vorliegt und in den MnO₂-Lagen zwischen einer SrO- und LaO-Lage ein Anteil von x^LaO_SrO ≈ 0.45 (siehe Abbildung 9.20). Nach dem magnetischen Phasendiagramm für Filme auf STO (001) erwartet man für x^SrO_SrO einen AFM- und fürx^LaO_SrO einen FM-Grundzustand (vergleiche Abbildung 9.4). Man würde also ein Sättigungsmoment von etwa 3.2µ_B/Mn erwarten. Bei den Untersuchungen hier ergibt sich mit 2.9µ_B/Mn ein etwas kleinerer Wert, der möglicherweise durch eine unvollständige Ausrichtung der Spins in den LMO-Lagen erklärt werden kann.

Auch das erhöhte Koerzitivfeld ist konsistent mit der FM-AFM-Koexistenz.

In der Literatur findet man ebenso den hier festgestellten Einbruch des ferromagnetischen Momentes beim Übergang vonn= 2 aufn= 3 [111]. In den Experimenten von Bhattacharya et al. zeigen die LMO/SMO-Übergitter allerdings eine deutlich kleinere Magnetisierung, auch für n = 1 liegt diese nur bei M_sat(10 K) = 3.2µ_B/Mn und für n = 3 bei M_sat(10 K) = 1.9µ_B/Mn. Dies ist ein Hinweis auf eine andere Struktur und Art von Defekten, die sich in solchen mit MBE abgeschiedenen Heterostrukturen ausbilden. Sauerstoffleerstellen würden über das veränderte Mn³⁺/Mn⁴⁺-Verhältnis und Störungen des magnetischen Austausches aufgrund fehlender Mn-O-Mn-Brücken Einfluss auf die magnetischen Eigenschaften nehmen.

Mit den hier durchgeführten Studien ist nicht abschließend zu klären, ob die magnetischen Ei-genschaften der Übergitter auf STO (111) allein aus der durch die chemische Durchmischung hervorgerufenen homogenen Verteilung dere_g-Elektronen resultieren. In der TEM-Aufnahme ist noch ein Kontrast zwischen den LMO- und SMO-Lagen sichtbar, so dass man nicht von einer kompletten Durchmischung der La- und Sr-Ionen ausgehen kann (siehe Abbildung 9.8).

Eine weitere Ursache für eine homogene Verteilung dere_g-Elektronen folgt aus der geometri-schen Anordnung der 3d-Orbitale an den Grenzflächen. Die Delokalisierung dereg-Elektronen kann nicht allein in den (111)-Ebenen verlaufen sondern hat immer eine Komponente senk-recht dazu. Dadurch ist die charakteristische Delokaliserungslänge in c-Richtung womöglich größer als beim Wachstum auf STO (001)-Substraten. Genauere Aussagen wären nach einer präzisen Analyse der Verteilung von La- und Sr-Kationen in den Übergittern mittels EELS möglich. Damit könnte man die elektronischen Effekte, die zur Delokalisierung beitragen von einer einfachen Durchmischung der Kationen auf den A-Plätzen trennen.

Auch mit Blick auf den Magnetismus kann man Auswirkungen von der Geometrie der 3d-Orbitale erwarten. Im Gegensatz zum Wachstum auf STO (001) verursachen die epitak-tischen Verspannungen beim Wachstum auf STO (111) keine Aufhebung der Entartung der 3d-Orbitale der Mn-Ionen. Daraus resultiert eine Stabilisierung des ferromagnetischen Grund-zustandes, was sich in den Phasendiagrammen für einfache LSMO(x)-Filme zeigt (Abbildung 9.4). Zusätzlich ist die magnetische Kopplung senkrecht zur Wachstumsrichtung deutlich stär-ker als für eine (001)-Orientierung, da jeweils drei Mn-O-Mn-Bindungen zur benachbarten Monolage bestehen [252]. In einer ohne Grenzflächeneffekte antiferromagnetisch ordnenden Lage kann so durch die Ankopplung an einen Ferromagneten eine ferromagnetische Ordnung der Spins induziert werden. Bei dem Wachstum in (001)-Orientierung wäre diese Beeinflus-sung an der Grenzfläche weniger effektiv, da der Antiferromagnet in der Ebene vier Bindungen besitzt und senkrecht dazu nur eine, so dass der Ferromagnet die Bilanz der Austauschwech-selwirkungen deutlich weniger manipulieren kann.