Strain and electric field mediated manipulation of magnetism in La$_{(1-x)}$Sr$_x$MnO$_3$/BaTiO$_3$ heterostructures

Schmitz, Markus; Brückel, Thomas; Juschkin, Larissa

doi:HT018858288

Strain and electric field mediated manipulation of magnetism in La$_{(1-x)}$Sr$_x$MnO$_3$/BaTiO$_3$ heterostructures = Manipulation von Magnetismus durch Verspannungen und elektrische Felder in La$_{(1-x)}$Sr$_x$MnO$_3$/BaTiO$_3$ Heterostrukturen

Schmitz, Markus

2015 & 2016

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Diplom-Physiker Markus Schmitz aus Aachen

ImpressumAachen 2015

Umfang1 Online-Ressource (VI, 141 Seiten) : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen, 2015

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2016

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Brückel, Thomas (Thesis advisor)^RWTH* ; Juschkin, Larissa (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-12-16

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-078698
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/565535/files/565535.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/565535/files/565535.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Physik (frei) ; magneto-electric coupling (frei) ; multiferroic (frei) ; magnetism (frei) ; heterostructure (frei) ; MEC (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
In dieser Arbeit wurden Heterostrukturen aus ferromagnetischem La$_{1-x}$Sr$_x$MnO$_3$ (LSMO) und ferroelektrischem BaTiO$_3$ (BTO) hergestellt und deren strukturelle und magnetische Eigenschaften untersucht. Die Kombination dieser ferroischen Eigenschaften kann zu einem künstlichen Multiferroikum führen. Eine mögliche magneto-elektrische Kopplung an der Grenzfläche von LSMO/BTO wurde von Burton et al. vorhergesagt. Daher wurde speziell die mögliche Manipulation von magnetischen Eigenschaften durch das Anlegen von elektrischen Feldern untersucht. Eine solche magneto-elektrische Kopplung konnte in der untersuchten Heterostruktur gefunden werden. Die epitaktischen LSMO Dünnschichten wurden mittels einer Oxid-Molekularstrahlepitaxieanlage (OMBE) und einer Sauerstoff-Hochdrucksputteranlage (HOPSS) auf BaTiO$_3$ Substraten gewachsen. Stöchiometrische La$_{(1-x)}$Sr$_x$MnO$_3$ Dünnschichten wurden mit einer Dotierung von $x = 0.5$ und $x = 0.3$ hergestellt. Eine geringe Rauhigkeit sowie eine gute kristalline Struktur der gewachsenen Filme wurde durch Röntgenbeugungsmethoden bestätigt. Die BaTiO$_3$ Substrate weisen strukturelle Domänen auf, deren Verhältnis sich durch das Anlegen von elektischen Feldern verändert. Die epitaktischen LSMO Dünnschichten sind im gesamten Temperaturbereich verspannt. Die Magnetisierung der LSMO Filme wird durch die Veränderung dieser Verspannung modifiziert. Die änderung der Verspannung wird durch die verschiedenen strukturellen Phasen des BaTiO$_3$ Substrates bewerkstelligt. Dadurch werden scharfe Stufen in der Magnetisierung bei den übergangstemperaturen des BTO beobachtet. Die Auswertung magnetischer Hystereseschleifen zeigt sowohl eine änderung der magnetischen Anisotropie der LSMO Filme zwischen den jeweiligen Strukturphasen des BTO aber auch innerhalb der orthorhombischen Phase. Besonderer Augenmerk wird auf die Manipulation der magnetischen Eigenschaften durch das Anlegen von elektrischen Feldern gelegt. Durch eine neu etablierte Messmethode ist es möglich, die magnetische Reaktion auf das angelegte elektrische Feld als Funktion der Temperatur und des Magnetfeldes zu bestimmen. Die elektrisch induzierte Manipulation der Magnetisierung ist in der Nähe der strukturellen Phasenübergangstemperaturen besonders ausgeprägt. Mittels elektrischen Hystereseschleifen kann ein detailierter Einblick in den Einfluss des elektrischen Feldes auf die Magnetisierung gegeben werden. Das magnetische Koerzitivfeld wird durch das angelegte elektrische Feld verschoben, was erneut auf eine änderung der magnetischen Anisotropie schließen lässt. Das Magnetisierungsprofil der LSMO/BTO Heterostrukturen wurde mittels polarisierter Neutronenreflektometrie untersucht um eine mögliche Begrenzung der gefundenen Effekte auf die Grenzfläche zu klären. Dabei zeigt sich eine verringerte Magnetisierung an der Grenzfläche zwischen LSMO und BTO für die Proben die mittels OMBE gewachsen wurden. Diese Verringerung ist durch eine erhöhte Verspannung des LSMO Films zu erklären und zeigt ein besseres epitaktisches Wachstum mittels der OMBE. Die von der HOPSS hergestellten Proben zeigen eine reduzierte Magnetisierung bei höheren Schichtdicken die durch Sauerstoff-Fehlstellen hervorgerufen sein könnte. Simulationen der polarisierten Neutronenreflektivität für verschiedene elektrische Felder zeigen, dass die beobachteten Unterschiede in der Reflektivität durch eine Veränderung der strukturellen Eigenschaften der Proben erklärbar sind. Verschiedene Mechanismen kommen für die Erklärung der beobachteten Effekte in Frage und werden ausführlich diskutiert. Dabei können Verspannungseffekte der Dünnschichten durch Magnetostriktion zu einer Drehung der magnetischen Anisotropie, einer änderung der Orbitalordnung oder der Austauschwechselwirkung führen. Effekte die durch Ladungsträger vermittelt werden müssen ebenso berücksichtigt werden, wie die ferroelektrischen Eigenschaften des BaTiO$_3$ Substrates und dessen Reaktion auf das angelegte elektrische Feld, die von entscheidender Bedeutung für die Erkärung der beobachteten Effekt sind.

Heterostructures of ferromagnetic La$_{1-x}$Sr$_x$MnO$_3$ (LSMO) and ferroelectric BaTiO$_3$ (BTO) were produced and investigated for their structural and magnetic properties. The combination of these ferroic properties can lead to an artificial multiferroic. A possible magneto-electric coupling at the interface was proposed by Burton et al.. Thus, special emphasis was given to the manipulation of magnetic properties by applying electric fields. A magneto-electric coupling could be observed in the heterostructures under investigation. Epitaxial LSMO thin films were grown on BTO substrates using a state-of-the-art oxide molecular beam epitaxy(OMBE) and a high oxygen sputtering system (HOPSS). Stoichiometric LSMO films with doping levels of $x=0.5$ and $x=0.3$ were produced. The film quality in terms of roughness and crystalline structure was confirmed by X-ray scattering methods. The presence of structural domains in the BaTiO$_3$ single crystal substrate, whose proportion could be altered due to the application of electric fields, was shown by X-ray diffraction. Tensile strain is induced into the epitaxial La$_{1-x}$Sr$_x$MnO$_3$ films in the whole temperature range under investigation. The magnetization of LSMO alteres by the variation of strain induced into the film, generated by the different structural phases of single crystal BaTiO$_3$ substrates. The magnetization shows sharp steps at the structural phase transition temperatures of BTO. The evaluation of magnetic hysteresis loops reveals a change of the magnetic anisotropy of LSMO for each structural phase of BTO, but also within the orthorhombic phase. Special focus was given to the manipulation of magnetic properties by the application of electric fields. A newly established measurement option was used to determine the magnetic response to an applied electric field as a function of temperature and magnetic field. The electrically induced modification of the magnetization is profound near the structural phase transition temperatures. Electrical hysteresis loops give a detailed view on the influence of the electric field on the magnetization. The magnetic coercivity field shifts by the application of electric fields giving rise to a change of the magnetic anisotropy. Polarized neutron reflectivity measurements yield the magnetization profiles of the LSMO/BTO heterostructures to clarify a limitation of the effect to the interface. Samples grown by OMBE indicate a better epitaxial crystal structure due to a strain induced reduction in the magnetization at the interface. Samples produced by HOPSS show a reduced magnetization for higher layer thicknesses, which might be related to oxygen vacancies. Simulations of the polarized neutron reflectivity data for different electric field directions reveal that the observed differences in the reflectivity are mostly related to altered structural properties. Several mechanisms, which might be responsible for the observed effects in LSMO on BTO, are discussed. Strain effects via the elastic channel can lead to a rotation of the magnetic anisotropy, a change of the orbital ordering or the exchange interaction. Also carrier-mediated effects and oxygen diffusion under applied electric fields have to be considered. Furthermore, the ferroelectric properties of the BaTiO$_3$ substrates and their response to the electric field is of crucial importance to explain the observed effects.

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