(La,Sr)n+1 MnnO3n+1低磁場巨磁阻之研究(II)The Study of Giant Magnetoresistance of (La,Sr)n+1 MnnO3n+1 in a Low Magnetic Field (II)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告

(La,Sr )n+1 MnnO3n+1 低磁場巨磁阻之研究(2/3)

計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC91-2112-M-110-017-執行期間： 91 年 08 月 01 日至 92 年 07 月 31 日 執行單位： 國立中山大學物理學系(所) 計畫主持人： 周雄 共同主持人： 洪夢聰 報告類型： 精簡報告 報告附件： 出席國際會議研究心得報告及發表論文 處理方式： 本計畫可公開查詢

中

華

民

國 92 年 8 月 5 日

The abnormal antiferromagnetic and ferromagnetic interaction in

manganite colossal magnetoresistance bilayer

錳系龐磁雙層薄膜之奇異反鐵磁/鐵磁交互作用

周 雄

a)

(計劃主持人)

孫士傑

b)

_，黃智俊

a)

_，陳書香

a)

_，洪振湧

a)

a): Department of Physics, National Sun Yat-Sen University, Kaohsiung, R.O.C. b): Department of Applied Physics, National Chiayi University, Chiayi, R.O.C.

摘 要

多層反鐵磁/鐵磁薄膜之交互作用一直以來都是研究的重點。在吾人初步以 混合反鐵磁 La0.67Sr1.33MnO4 (214)及鐵磁 La0.67Ca0.33MnO3 (113)塊材之研究上，發 現低磁場磁阻之增強效益極為明顯，可以進一以多層薄膜的方式，研究穿隧磁阻 (TMR)。 初步研究上，由雙層薄膜開始，在 SrTiO3 (100)基板上，以離軸高週波 濺鍍法成長 113/ 214/ STO 雙層薄膜，研究磁性交互作用及磁阻特性。 實驗結果顯示，在高於 214 之相變溫度 TN時，電性已因出現的磁擾動而顯 現小凸峰。溫度在小凸峰溫度之上的磁阻特性完全和一般 CMR 薄膜相彷，但在 小凸峰溫度之下卻出現完全無法理解之奇異特性，在外加電流、磁場及樣品相對 位置完全相同的幾何結構下，磁阻曲線隨樣品的姿態而改變！

前 言

CMR(Colossal Magnetoresistance)材料的發現引起學術界與產業界的極大重 視，因該材料的磁阻（>99%）較一般的常磁阻或巨磁阻高出許多，若能以此為 基礎，應用於感應器上必能為現今之科技注入一股動力；若應用到磁頭或磁記憶 體上，則其靈敏度及記憶元密度都可大幅度的提高。然而，由於這類氧化物有著 過低的居禮溫度(Tc)及過高的飽和磁場，在應用上仍保有許多挑戰性。 在本人去年之研究上發現，將反鐵磁 La0.67Sr1.33MnO4 (214)粉末及鐵磁 La0.67Ca0.33MnO3 (113)粉末以適當比例混合，再加以燒結後，發現低磁場下的磁 阻獲得明顯的提升，若能更進一步借由多層薄膜的技術，希望能以反鐵磁的特性 來增益在低場下鐵磁薄膜的磁阻效應。以反鐵磁的特性而言，在其相變溫度點

TN時，因此時的量子擾動(quantum fluctuation)最大，當通入電流時，電子受到反

鐵磁層磁矩擾動的影響，電阻值會較大。在外加磁場作用下，可使得量子擾動減 少，因此即可產生較單層薄膜更大的磁阻效應。如此一來，或可以如穿隧式磁阻 結構提升在應用於感測元件上之可行性。

實驗方法

實驗利用 RF 磁控射頻濺鍍系統(Radio Frequency Magnetron Sputtering System)，在 SrTiO3 (100) 先成長 120nm La0.67Cr0.33MnO3(113)薄膜，再成長類似

厚 度 之 La0.67Sr1.33MnO4(214) 薄 膜 ， 其 成 長 條 件 如 表 一 所 列 。 由 於 鈦 酸 鍶

(100)SrTiO3(a=3.905Å ) 基 板 與 La0.67Ca0.33MnO3(113) 之 晶 格 異 位 (mismatch) 為

1.01%，當薄膜甚薄時，受界面之影響而產生形變，其物性也隨之改變，而當厚 度大於 100nm，形變情況較弱，近似塊材之行為，故初步以 120nm 為目標。 成長之薄膜以 X-ray 繞射法觀測其結構，以 Auger 分析其成份及界面之狀 況，待確定如所設計之結構後，以四點量測法量測其電阻與溫度及磁阻之曲線。 表一 雙層薄膜之成長條件表

結果與討論

雙層薄膜特性 巨磁阻材料的發現，雖然在磁阻效應上可高達 99.99%，但在強磁場下才可 有較大的效應，因此仍然欠缺實質上的應用。有鑑於此，吾人以一雙層結構薄膜 樣品 AFM(214)/FM(113)/STO La_0.67Sr_1.33MnO₄ La_0.67Ca_0.33MnO₃ 100W 成 長 功 率 (113) 60min (214) 60min 成 長 時 間 成 長 溫 度 Off axis 6 cm 成 長 位 置 Ar:O₂=2:1 100 mTorr 環 境 總 壓 La_0.67Sr_1.33MnO₄ : 700o_C La_0.67Ca_0.33MnO₄ : 750o_C 樣品 AFM(214)/FM(113)/STO La_0.67Sr_1.33MnO₄ La_0.67Ca_0.33MnO₃ 樣品 AFM(214)/FM(113)/STO La_0.67Sr_1.33MnO₄ La_0.67Ca_0.33MnO₃ 100W 成 長 功 率 (113) 60min (214) 60min 成 長 時 間 成 長 溫 度 Off axis 6 cm 成 長 位 置 Ar:O₂=2:1 100 mTorr 環 境 總 壓 La_0.67Sr_1.33MnO₄ : 700o_C La_0.67Ca_0.33MnO₄ : 750o_C

來 增 加 磁 阻 效 應 。 設 計 此 實 驗 目 的 及 在 於 以 上 層 的 LSMO(214) 薄 膜 來 對 LCMO(113)薄膜的磁矩產生作藉此以提高低磁場磁阻(LFMR)。

LSMO(214)當溫度在相變溫度點 TN 時其量子擾動(quantum fluctuation)最

大，因此在電流流入 LSMO(214)再流經 LCMO(113)時，受到量子擾動的作用， 使得電子在經過受 LSMO(214)干擾的部份 LCMO(113)(擾動層)時電阻值大增， 造成高電阻態。但在外加磁場下，LSMO(214) 磁矩與擾動層磁矩因受到外加磁場的作用， 量子擾動效應有效減少，形成低電阻態。其 示意圖如圖一。所以由圖一可得知，在相變 溫 度 點 附 近 時 其 磁 阻 效 應 應 較 單 層 LCMO(113)為大。 雙層薄膜電性量測 圖二是雙層薄膜橫向電流的 R-T 曲線。曲線中有兩個明顯的彎折。其一，當 溫度由室溫 330K 降溫至 240K 時，其 R-T 曲線呈現隨著溫度遞減而電阻值增加， 是一絕緣體特性。在

T

P = 240K 時，可推測為一相變點。隨著溫度遞減至 70K 附 近，曲線則是呈現金屬的特性。特別的是，當溫度降溫至 70K 以下，有一較為 明顯的起伏，呈現小凸峰。當溫度再降溫至 50K 以下，電阻值再恢復隨溫度降 低而遞減。由於 LSMO(214)在高溫區為絕緣態，故雙層薄膜的 R-T 曲線在呈現 小凸峰溫度(~70K)以上應該是下層 LCMO(113)之表現。因此，70K 以下可能是 LSMO(214)反鐵磁本質影響 LCMO(113)交界處之磁矩，故電阻曲線出現上升。 待溫度降至更低溫，LCMO(113)之鐵磁性愈趨穩定，而 LSMO(214)在低溫為 spin glass 相，故對 LCMO(113)量子擾動之影響變小，R-T 曲線再次呈現金屬特性。 STO H STO AFM FM 擾動層 STO H STO STO STO AFM FM 擾動層 圖一 高電阻態與低電阻 態示意圖 圖二 雙層薄膜之 R-T 曲線圖 Temperature (K) 0 50 100 150 200 250 300 350 R e s is ta n c e ( o h m ) 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 T vs R with normal H T vs R with paraH T vs R with vertH 240K 248K 20 30 40 50 60 70 80 32 33 34 35 36 T 0 50 100 150 200 250 300 350 MR -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1

當外加磁場垂直或平行於基板(皆與外加電流垂直)時，樣品呈現負磁阻現 象，而且平行磁場之磁阻較垂直磁場者大。圖二中較低的兩條曲線為外加磁場為 1Tesla 時之 R-T 圖，其最大磁阻發生在 220K 附近，該溫度磁阻均呈現一般單層 CMR 之行為，磁阻並不隨量測時之樣品姿態而變。而小凸峰之溫度因量子擾動 的關係，小凸峰不只出現在零磁場時的 R-T 曲線，也出現在有外加磁場之狀態， 為進一步明瞭此有趣現象，吾人選取在 T＝60K 時做定溫的 MR 量測，並藉此推 敲鐵磁與反鐵磁之間的相互作用力。 雙層薄膜磁阻量測 垂直磁場

圖三、圖四是經由 ZFC(Zero Field Cooling)的方式，由室溫降溫至 60K，定 溫 60K 掃磁場，此時的磁場方向與試片垂直，且與電流垂直。圖三是雙層薄膜 的 MR 曲線；圖四是單層薄膜 LCMO(113)的 MR 曲線，以此作為對照組。圖中 雙層薄膜的 MR 曲線大致與單層 LCMO(113)薄膜的曲線相似，唯在低磁場區之磁 阻行為不盡相同，可能是上層的LSMO(214)發揮作用部份作用，進而對 LCMO(113) 的磁矩產生擾動的影響。 平行磁場 圖五、圖六與圖三、圖四所不同的是外加磁場方向與試片平行但與電流垂 直。圖五是雙層薄膜的 MR 曲線。圖六則是 LCMO(113)單層的 MR 圖。由圖五、 圖六，不難發現在磁場大於±2000Oe~±10000Oe 時，曲線具體的表現上皆是 LCMO(113)的特性。但在磁場小於±2000Oe 時卻與圖六有著明顯的不同。觀察 圖五的小圖，在磁場等於±800Oe 時有最大電阻值，當磁場等於±100Oe 時，有 明顯蝴蝶結狀的曲線。但確與 LCMO(113)單層薄膜於所量測到的蝴蝶結狀的 MR H (Oe) -10000 -8000 -6000-4000-2000 0 2000 4000 6000 800010000 R e s is ta n c e 39.40 39.42 39.44 39.46 39.48 39.50 39.52 39.54 39.56 39.58 H vs R -2000-1500-1000-500 0 500100015002000 39.48 39.50 39.52 39.54 39.56 39.58 I H _x y z I H _x y z x y z H (Oe) -10000 -8000-6000-4000-2000 0 2000 4000 6000 800010000 R e s is ta n c e ( o h m ) 74.4 74.6 74.8 75.0 75.2 75.4 75.6 H vs R -2000-1500-1000-500 0 500 100015002000 75.32 75.34 75.36 75.38 75.40 75.42 圖三 60K 垂直磁場雙層薄膜之 MR 曲線 圖四 60K 垂直磁場時 LCMO(113) 單層薄膜之 MR 曲線

曲線恰巧顛倒。因此可推測造成此種現象的原因必是 LSMO(214)對 LCMO(113) 的磁矩產生擾動所導致。

垂直磁場與平行磁場磁阻曲線之不同表明樣品具有極強的各向異性

垂直磁場

-

樣品(0o

and 90o)

圖七、圖八所量測的方式皆是經由 ZFC(Zero Field Cooling)的方式，由室溫 降溫至 60K，定溫 60K 掃磁場，此時的磁場方向與試片垂直，且與電流垂直。 但圖七、圖八所不同的是將樣品整個換貼 90o_{。再就其試片的電流、磁場的相對} 位置對照圖中的小圖，可以發現試片的電流、磁場的相對位置並未改變但 MR 曲 線卻呈現姿態的異向性。 儀器驗證 由圖七與圖八，可發現一個問題。試片的電流方向與磁場的相對位置皆相 同，為何其 MR 曲線會不相同？是否儀器的問題或是真實情況呢？因此須驗證儀 器。因此取 CMR 塊材依圖七與圖八的條件進行量測，所得數據如圖九、圖十所 示。由此數據看來，試片只要保持電流方向與磁場的相對位置相同然則 MR 曲線 H (Oe) -10000 -8000-6000-4000-2000 0 2000 4000 6000 800010000 R e s is ta n c e ( o h m ) 39.0 39.1 39.2 39.3 39.4 39.5 39.6 39.7 H vs R -1000 -800 -600 -400 -2000200 400600800 1000 39.52 39.54 39.56 39.58 39.60 39.62 H (Oe) -10000 -8000-6000-4000-2000 0 2000 4000 6000 8000 10000 R e s is ta n c e ( o h m ) 69.0 70.0 71.0 72.0 73.0 74.0 75.0 76.0 H vs R -1000 -800 -600 -400 -2000200400600800 1000 75.24 75.26 75.28 75.30 75.32 75.34 x y z H I x y z H I H I 圖五 60K 平行磁場雙層薄膜之 MR 曲線 圖六 60K 平行磁場 LCMO(113) 薄膜之 MR 曲線 H(Oe) -10000 -8000-6000-4000-2000 0 2000 4000 6000 800010000 R e s is ta n ce (o hm ) 39.50 39.55 39.60 39.65 39.70 39.75 H vs R -2000-1500-1000 -5000500 1000 1500 2000 39.64 39.66 39.68 39.70 39.72 39.74 39.76 HI x y z HI HI x y z x y z H (Oe) -10000 -8000 -6000 -4000 -2000 0 20004000 6000800010000 R e s is ta n c e 39.40 39.42 39.44 39.46 39.48 39.50 39.52 39.54 39.56 39.58 H vs R -2000-1500-1000-500 0 500100015002000 39.48 39.50 39.52 39.54 39.56 39.58 I H _x y z I H _x y z x y z 圖七 60K 垂直磁場雙層薄膜之 MR 曲線 圖八 60K 垂直磁場雙層薄膜換 貼 90o_{之 MR 曲線}

就不會改變。因此可以確定儀器並無問題。

結論

本實驗以鐵磁性薄膜 La0.67Ca0.33MnO3(113)與反鐵磁性薄膜 La0.67Sr1.33MnO4 (214)形成一雙層薄膜的結構，冀望以此雙層薄膜結構能明顯增強低場磁阻效應 (LFMR)，並了解界面間的相互作用力關係。實驗發現 LSMO(214)反鐵磁的特性 在 70K 至 50K 明顯影響雙層薄膜之電傳輸性，而出現小凸峰。高溫區(T>70K) 雙層薄膜呈現標準式 CMR 負磁阻曲線，然而在凸峰溫區，樣品不只是出現強烈 各向異性之磁阻曲線外，量測結果卻與樣品的姿態有關，顯現出姿態異向性。 此姿態異向性是否因薄膜的不均勻性、因地磁的相對方位不同而引起或因重 力而產生，都不可知！因此下一步吾人需要更多不同的量測，交叉比對才能進一 步了解其發生機制。

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H (Oe) -10000 -8000-6000-4000-2000 0 2000 4000 6000 800010000 R e s is ta n c e ( o h m ) 10.0 11.0 12.0 13.0 14.0 15.0 H vs R I H x y z I H x y z x y z H (Oe) -10000 -8000 -6000-4000-2000 0 2000 4000 6000 8000 10000 R e s is ta n c e ( o h m) 10 11 12 13 14 15 H vs R HI x y z HI HI x y z x y z H (Oe) -10000 -8000 -6000-4000-2000 0 2000 4000 6000 8000 10000 R e s is ta n c e ( o h m) 10 11 12 13 14 15 H vs R HI x y z HI HI x y z x y z 圖九 60K 垂直磁場 CMR 塊材 MR 曲線圖 圖十 60K 垂直磁場 CMR 塊材 換貼 90o_{之 MR 曲線}

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