TU Darmstadt / ULB / TUprints

Magnetoelectric coupling in layered LSMO/PZT nanostructures

Leufke, Philipp Moritz :
Magnetoelectric coupling in layered LSMO/PZT nanostructures.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2014)

[img]
Preview
Text
thesis_12pt_a5_final.pdf
Available under Creative Commons Attribution Non-commercial No Derivatives, 2.5.

Download (16MB) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Magnetoelectric coupling in layered LSMO/PZT nanostructures
Language: English
Abstract:

Multiferroic thin film composites with electric field-effect driven magnetoelectric (ME) coupling offer the possibility to reversibly tune magnetic properties in materials intended for device applications. The structural and functional versatility of such artificial heterostructures makes them attractive not only for various data processing, storage and sensor applications but also for studying the fundamental ME coupling mechanisms. La_(1−x)Sr_(x)MnO_(3) (LSMO)/PbZr_(y)Ti_(1−y)O_(3) (PZT) is an ideal choice for such a composite, combining the unrivaled ferroelectric (FE) properties of PZT with the multiple electronic and magnetic phenomena exhibited by the mixed valency manganite LSMO. The main physical feature used in realization of the LSMO/PZT ME composites is a striking sensitivity of LSMO magnetism to the charge carrier density. Here, the low-doping region is of particular interest, where the competition between the fundamental magnetic coupling mechanisms, Double-Exchange (DE) versus Superexchange (SE), is most distinctive. In the present work an unconventional sputtering technique – the Large-Distance Magnetron Sputtering (LDMS) method – has been established, which allowed for epitaxial deposition of these heterostructures with highest crystallinity and markedly smooth interfaces, necessary for effective field-effect control of magnetism. The large target-substrate distance effectively suppressed the destructive oxygen ion bombardment, inherently connected with oxide sputtering, and yielded an outstanding lateral uniformity of the film stack. The latter was vital for the fabrication of large capacitor structures of several square millimeter area that were required for detecting the ME coupling in a Superconductive Quantum Interference Device (SQUID) magnetometer. The growth of LSMO on various single crystalline substrates was mastered by exploring a vast deposition parameter space, encompassing Radio Frequency (RF) and Direct Current (DC) sputtering. Commensurately grown on SrTiO_(3) (STO) substrates, the x = 13 %-doped LSMO thin films were found to be stabilized in a metallic low-temperature phase, exhibiting an elevated Curie temperature (T_(C)), as compared to their bulk counterparts. Regarding the PZT deposition, the LDMS technique naturally compensated for high volatility of the PbO vapor yielding a stoichiometric and phase pure film. Thus, with an optimal choice of deposition conditions, LSMO/PZT/Au thin film capacitors with excellent FE properties, i.e., high polarizability and long retention time, were obtained. The high yield of 75 % of 1 mm² large capacitor structures was an excellent starting point for the ME tuning studies which were then carried out in a SQUID magnetometer in order to enable a quantitative analysis of the ME coupling. For this purpose, the measurement device needed to be modified, to allow for in situ application of electric fields. Furthermore, a SQUID measurement cell was designed to be used at low-temperatures and to keep the spurious magnetic signals as low as possible. All key in situ measurements were performed in FE remanence mode in order to avoid artifacts of leakage current and to protect the samples from Time-Dependent Dielectric Breakdown (TDDB). The ME tuning measurements revealed a direct correlation of the FE remanent hysteresis and the magnetic response of the LSMO layer, evidencing a purely field-effect driven coupling and a virtual absence of any magnetostrictive coupling to possible piezo-strain of the PZT layer. In temperature-dependent measurements, a reversal of the sign of the ME effect was observed, with a positive extremum for the electron hole (h^(+)) accumulation mode around the Curie temperature of the magnetic transition. The effect gradually decreased with the lowered temperature to become negative eventually. On the basis of the phase diagram and the dependence of the Mn magnetic moment on the Sr doping level, the shape of the curve was phenomenologically modeled by a transformation of the original Field Cooling (FC) curve. The resultant transformation was a superposition of a FC curve shift along the temperature axis and a rescaling of the magnetic moment. The dependence of the magnetic response to the modulation of the surface charge showed a mostly linear behavior with a coupling coefficient of α_(MQ) ≈ −3.6 μ_(B)/h^(+) for low charge concentration. As this value stunningly matches the magnetic moment of a Mn atom per one formula unit, this result suggests an appearance of antiferromagnetic (AF) coupling upon surface charging. At higher charge modulation, the absolute value of the tuning coefficient decreased, indicating the onset of another magnetic exchange mechanism. Eventually, the quantitative analysis of the ME coupling at the LSMO/PZT interface has allowed for developing a physical picture based on the electronic phase separation of competing AF and ferromagnetic (FM) phases immanent to LSMO.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Multiferroische Dünnschicht-Kompositsysteme mit Feldeffekt-basierter magnetoelektrischer (ME) Kopplung ermöglichen das reversible Durchstimmen magnetischer Eigenschaften. Dies ist nicht nur aus technischer Sicht attraktiv für potentielle Anwendungen im Bereich der Sensorik, sowie der Datenverarbeitung und -speicherung. Vielmehr eröffnet die Vielfalt solcher künstlicher Heterostrukturen die Möglichkeit die unterschiedlichen grundlegenden ME Kopplungsmechanismen dieser Systeme zu analysieren und zu verstehen. La_(1−x)Sr_(x)MnO_(3) (LSMO)/PbZr(y)Ti(1−y)O_(3) (PZT) stellt eine ideale Materialkombination für ein solches Komposit dar, welches die herausragenden ferroelektrischen (FE) Eigenschaften von PZT mit den komple xen elektronischen und magnetischen Phänomenen des gemischtvalenten LSMO vereint. Hierbei beruht das physikalische Konzept der ME Wechselwirkung auf der Sensibilität der magnetischen Kopplung im LSMO bezüglich der vorherrschenden Ladunsträgerdichte. Diese ist besonders ausgeprägt im Bereich niedriger Sr-Dotierungsgrade, da hier die beiden konkurrierenden Kopplungsmechanismen – Doppelaustausch und Superaustausch – in besonderem Wettbewerb stehen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine unkonventionelle Dünnschicht-Abscheidungsmethode etabliert: Mithilfe der sogenannten Large-Distance Magnetron Sputtering (LDMS)-Technik – also der Magnetron-Kathodenzerstäubung mit großen Quelle-Substrat-Abständen – lässt sich das Bombardement des Substrates durch hochenergetische Sauerstoffionen, das ein zentrales Problem des Oxidsputterns darstellt, effektiv unterdrücken. Auf diese Weise wurden epitaktische LSMO/PZT Heterostrukturen mit herausragender Kristallinität abgeschieden, die besonders glatte Grenzflächen aufweisen, welche eine Grundvoraussetzung für die Anwendung des Feldeffektes darstellen. Infolge des durch die Geometrie der Sputteranlage bedingten diffusen Teilchenflusses wurde eine sehr hohe laterale Homogenität der Schichten erreicht. Diese ist essenziell für die Herstellung großflächiger FE-Kondensatorstrukturen von einigen Quadratmillimetern, wie sie notwendig sind für die Detektion des ME-Effekts mittels eines SQUID-Magnetometers (Superconductive Quantum Interference Device). Für das Aufwachsen von LSMO auf diversen Einkristallsubstraten wurde ein großer Depositionsparameterraum erkundet, welcher sowohl Gleichstrom- (Direct Current, DC), als auch Hochfrequenz-Sputtern (Radio Frequency, RF) umfasste. Kommensurat auf SrTiO_(3) (STO)-Substraten abgeschieden, wies 13 %-dotiertes LSMO eine stabilisierte metallische Tieftemperaturphase sowie eine im Vergleich zum Volumenmaterial deutlich erhöhte Curie-Temperatur (T_(C)) auf. Bei der Abscheidung von PZT wurde die hohe Flüchtigkeit von PbO durch die LDMS-Methode automatisch kompensiert, sodass stöchiometrische und phasenreine Schichten erzielt wurden. Damit ließen sich bei optimaler Wahl der Wachstumsbedingungen LSMO/PZT/Au Kondensatoren herstellen, die exzellente FE Eigenschaften, wie eine hohe Polarisierbarkeit und lange Aufrechterhaltung (Retention), aufweisen. Eine Ausbeute von 75 % an voll funktionsfähigen, 1 mm² großen Kondensatorstrukturen bildete einen hervorragenden Ausgangspunkt für die Untersuchungen zur ME Kopplung, welche im SQUID- Magnetometer durchgeführt wurden, um eine quantitative Analyse des ME Effekts zu ermöglichen. Hierzu musste zunächst das Messgerät modifiziert werden, um das Anlegen eines elektrischen Feldes in situ zu ermöglichen. Des Weiteren wurde eine SQUID-Messzelle konstruiert, die tiefen Temperaturen standhält und gleichwohl parasitäre magnetische Signale so gut wie möglich vermeidet. Alle wesentlichen in situ Messungen wurden in ferroelectric (FE) Remanenz durchgeführt, wodurch sich Artefakte durch etwaige Leckströme verhindern und zugleich die Proben vor dielektrischem Durchschlag schützen lassen. Die ME Druchstimmexperimente offenbarten eine direkte Korrelation zwischen der remanenten FE Hysterese auf der einen, und der magnetischen Systemantwort auf der anderen Seite. Dies lässt darauf schließen, dass die ME Kopplung vollständig Feldeffekt-gesteuert abläuft und somit eine grundsätzlich mögliche magnetostriktive Kopplung an den inversen Piezoeffekt ausgeschlossen werden kann. In temperaturabhängigen Messungen wurde ein Vorzeichenwechsel des ME Effekts beobachtet, mit einem positiven Extremum im Bereich der Curie Temperatur, für den Zustand der Akkumulation an Defektelektronen (h^(+)). Mit sinkender Temperatur war eine Abnahme des Effekts zu verzeichnen, die bei tiefen Temperaturen schließlich zu einer negativen magnetischen Antwort führte. Auf Grundlage des Phasendiagramms und der Abhängigkeit des magnetischen Moments der Manganatome vom Sr-Dotierungsgrad, wurde der Verlauf der Temperaturkurve des Effekts phänomenologisch anhand der ursprünglichen Field Cooling (FC)-Kurve modelliert. Der resultierende Verlauf spiegelt dabei eine Verschiebung der FC-Kurve entlang der Temperaturachse bei gleichzeitiger Reskalierung des magnetischen Moments wider. Die Abhängigkeit der magnetischen Modulation von der Variation der Oberflächenladungsdichte zeigte ein nahezu lineares Verhalten für niedrige Ladungskonzentrationen und ergab einen Kopplungskoeffizienten von α_(MQ) ≈ −3.6 μ_(B)/h^(+). Da dieser Wert auffällig mit dem magnetischen Moment eines Manganatoms pro Formeleinheit übereinstimmt, legt dies das Hervorrufen antiferromagnetischer (AF) Kopplung als Resultat der h^(+) -Akkumulation nahe. Bei stärkerer Ladungsmodulation war eine leichte Abnahme des Kopplungskoeffizienten zu verzeichnen, die auf das Einsetzen weiterer Kopplungsmechanismen schließen lässt. Schlussendlich wurde anhand der quantitativen Analyse der ME Kopplung an der LSMO/PZT Grenzschicht eine physikalische Anschauung entworfen, die die Kopplungsphänomene auf die räumliche Separation konkurrierender antiferromagnetischer und ferromagnetischer elektronischer Phasen zurückführt, welche für LSMO immanent ist.German
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: LSMO, PZT, field-effect, magnetoelectrics, multiferroics, manganites, coupling, sputtering, epitaxy
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
LSMO, PZT, Feldeffekt, Magnetoelektrika, Multiferroika, Manganite, Kopplung, Sputtern, EpitaxieGerman
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science
11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Joint Research Laboratory Nanomaterials
Date Deposited: 24 Feb 2014 13:30
Last Modified: 24 Feb 2014 13:30
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-37843
Referees: Hahn, Prof. Dr. Horst and Klein, Prof. Dr. Andreas
Refereed: 29 January 2014
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3784
Export:
Actions (login required)
View Item View Item

Downloads

Downloads per month over past year