ЖЭТФ, 2019, том 156, вып. 1 (7), стр. 135-139

МАГНИТНЫЕ И РЕЗИСТИВНЫЕ СВОЙСТВА

ГЕТЕРОСТРУКТУР МАНГАНИТ/ИРИДАТ

Т. А. Шайхуловa*, Г. А. Овсянников^a, В. В. Демидов^a, Н. В. Андреев^b

^a Институт радиоэлектроники им. В. А. Котельникова Российской академии наук

125009, Москва, Россия

^b Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

119991, Москва, Россия

Поступила в редакцию 14 января 2019 г.,

после переработки 21 февраля 2019 г.

Принята к публикации 22 февраля 2019 г.

Разработана технология роста эпитаксиальных гетероструктур иридата стронция (SrIrO3) и лан-

тан-стронциевого манганита (La0.7Sr0.3MnO3). Проведены измерения их транспортных свойств и спектра

ферромагнитного резонанса. Проведено сравнение полученных параметров со свойствами отдельных пле-

нок иридата и манганита. Полученные результаты резистивных измерений свидетельствуют о наличии

проводимости границы раздела иридат/манганит. С понижением температуры обнаружено увеличение

ширины линии ферромагнитного резонанса и уменьшение резонансного поля, что указывает на возник-

новение дополнительного ферромагнитного упорядочения в гетероструктуре.

DOI: 10.1134/S0044451019070149

взаимодействием, а также данные электрофизичес-

ких и магнитных измерений.

Гетероструктуры были получены методом магне-

1. ВВЕДЕНИЕ

тронного распыления на плоскость (110) подложки

Оксиды переходных

3d-металлов (transition

из монокристаллического галата неодима NdGaO₃

metal oxides, TMOs) обладают различными функци-

(NGO) при температуре T

= 820^◦C и давлении

ональными возможностями, вызванными наличием

кислорода 0.7 мбар для манганита La0.7Sr0.3MnO₃

сильной электрон-электронной корреляции. Однако

(LSMO) [10] и T = 770^◦C и давлении 0.3 мбар для

спин-орбитальное взаимодействие, как правило,

иридата SrIrO₃ (SIO) [11]. Толщины пленок манга-

является слабым в 3d-TMOs [1]. Ярко выражен-

нита варьировались от 5 до 10 нм. Кристаллическая

ное спин-орбитальное взаимодействие привлекает

структура гетероструктур анализировалась с помо-

внимание в последние годы из-за появления новых

щью рентгеновского дифрактометра.

топологических состояний

[2-5] и спинтроники

[6, 7]. Контакт между 3d- и 5d-TMOs обеспечивает

уникальную границу, в которой возможны суще-

2. КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКАЯ

ствование и взаимодействие этих фундаментальных

СТРУКТУРА

явлений. На контакте 5d-TMO с ферромагнетиком

На рис.

представлена дифракторграмма

возможны нарушение топологической симметрии в

области границы раздела и возникновение щели в

брэгговского отражения

2θ/ω гетероструктуры

SIO/LSMO, нанесенной на подложку

(110)NGO.

спектре возбуждений, что, в свою очередь, может

привести к достаточно сильным магнитоэлектриче-

По положению пиков определялись структура и

ским эффектам [8,9]. В данной работе мы приводим

параметры ячейки. Определено, что полученная

результаты роста эпитаксиальной гетероструктуры

пленка SIO имеет орторомбическую модификацию

из ферромагнитного манганита и парамагнитного

со структурой Pnma с параметрами решетки a =

= 0.55909 нм, b = 0.78821 нм и c = 0.55617 нм,

иридата, обладающего сильным спин-орбитальным

которую можно приближенно рассматривать как

^* E-mail: shcaihulov@hitech.cplire.ru

«псевдокуб» с параметром a = 0.398 нм. Структуру

135

Т. А. Шайхулов, Г. А. Овсянников, В. В. Демидов, Н. В. Андреев

ЖЭТФ, том 156, вып. 1 (7), 2019

R, Ом

(002)SIO

900

22.1

22.3

2 CuKa

600

R_S

300

100

120

R_L

R_H

2 CuKa

100

200

300

Рис. 1. Дифрактограмма брэгговского отражения 2θ/ω

T, K

гетероструктуры SIO/LSMO, выращенной на подложке

(110)NGO. На вставке показана кривая качания линии

Рис. 2. Температурные зависимости сопротивления авто-

(002)SIO (Δω — ширина кривой качания)

номных пленок SIO (RS ) толщиной 10 нм и LSMO (RL)

толщиной 12 нм, а также гетероструктуры SIO/LSMO

(RH ) с теми же толщинами пленок SIO и LSMO. Кривая

LSMO пленки можно считать «псевдокубической» с

R1H — температурная зависимость, полученная из данных

параметром a = 0.389 нм. На дифрактограмме при-

для сопротивления автономных пленок при их параллель-

сутствуют кратные отражения от плоскостей слоев

ном соединении

гетероструктуры (001)SIO и (001)LSMO, а также

отражения от подложки (110)NGO. Можно сделать

вывод, что рост слоев гетероструктуры происходил

сравнения протекания тока в пленках и в гетеро-

по механизму «куб на куб» с эпитаксиальными

структуре были измерены зависимости сопротивле-

соотношениями

ния от температуры (рис. 2). Сопротивление, равное

параллельному соединению сопротивления верхней

(001)SIO||(001)LSMO||(110)NGO,

пленки SIO (R_S ) и нижней пленки LSMO (R_L) гете-

[100]SIO||[100]LSMO||[001]NGO.

роструктуры, R1H = R_S R_L/(R_L +R_S ), также показа-

Межплоскостное расстояние в пленке LSMO суще-

но на рис. 2. Видно, что величина R1H превышает из-

ственно не изменяется в гетероструктуре, оставаясь

меренное значение сопротивления всей гетерострук-

таким же, как для автономной пленки (0.388 нм).

туры (R_H). Следовательно, необходимо учитывать

Небольшое изменение наблюдается в размере ре-

сопротивление границы R_I = R1H - R_H , включенное

шетки для пленки SIO от 0.403 нм в автономном

параллельно сопротивлениям отдельных пленок.

случае до 0.404 нм для гетероструктуры. На встав-

На рис. 3 представлены зависимости от темпера-

ке к рис. 1 показана кривая качания для рефлекса

туры сопротивления границы раздела R_I для гра-

(002) гетероструктуры SIO. Узкая кривая качания

ниц раздела трех гетероструктур: SIO/LSMO/NGO,

(ширина кривой Δω = 0.07^◦) указывают на высо-

LSMO/SIO/NGO и Pt/LSMO/NGO. Наблюдается

кое качество слоев. Увеличение постоянной решетки

зависимость R_I как от материалов граничащих пле-

в направлении, перпендикулярном подложке, веро-

нок, так и от последовательности роста пленок. При

ятно, связано с напряжением пленки SIO при эпи-

низкой температуре удельноe сопротивление грани-

таксиальном росте на манганите. Дифрактограммы

цы SIO/LSMO, в предположении, что ее толщина со-

снимались при комнатной температуре.

ставляет 1 нм, равно ρ_I = 5 · 10-6 Ом · см. Столь ма-

лое значение удельного сопротивления границы ука-

зывает на возможность существования двумерного

3. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ТРАНСПОРТНЫЕ

электронного газа с высокой подвижностью [12, 13].

ПАРАМЕТРЫ ПЛЕНОК И

Оксиды переходных металлов из-за наличия

ГЕТЕРОСТРУКТУР

сильных электронных корреляций существенно от-

Электрические свойства пленок гетерострукту-

личаются от простых металлов. Наличие большо-

ры были получены методом четырехточечного из-

го числа степеней свободы — спиновой, зарядовой,

мерения сопротивления в плоскости подложки. Для

решеточной и орбитальной — приводит к сложнос-

136

ЖЭТФ, том 156, вып. 1 (7), 2019

Магнитные и резистивные свойства.. .

R_I, Ом

600

400

200

H, кЭ

100

200

300

Рис. 4. Спектры ФМР для автономной пленки LSMO тол-

T, K

щиной 15 нм (1) и для двух гетероструктур SIO/LSMO с

Рис. 3. Температурные зависимости сопротивления гра-

толщинами пленки LSMO 3.5 нм (2) и 12 нм (3) при тол-

ниц RI гетероструктур LSMO(15 нм)/SIO(10 нм)

—

щине пленки SIO 10 нм, T = 294 К

кривая 1, SIO(10 нм)/LSMO(12 нм) — 2, Pt(10 нм)/

LSMO(20 нм) — 3

величины намагниченностей близки, а ширина сиг-

нала от гетероструктуры SIO/LSMO лишь немно-

ти поведения этих материалов, особенно в области

го превышает ширину сигнала в автономной плен-

границ. Зарядовый транспорт на границе в гете-

ке. Уширение линии ФМР можно объяснить как до-

роструктуре существенно отличается от транспорта

полнительной релаксацией за счет спинового тока в

как в отдельных пленках, так и в простых метал-

структуре ферромагнетик/нормальный металл, так

лах [12, 13].

и дополнительной неоднородностью спиновой систе-

мы в структуре SIO/LSMO по сравнению с одиноч-

ной пленкой LSMO. В то же время сигнал от струк-

4. ФЕРРОМАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС

туры SIO/LSMO с толщиной пленки LSMO 3.5 нм

ГЕТЕРОСТРУКТУРЫ

значительно отличается от линии ФМР в одиночной

На рис. 4 представлены спектры ферромагнит-

пленке. Во-первых, он регистрируется в более высо-

ного резонанса (ФМР) автономной пленки LSMO и

ких полях, что говорит о меньшей намагниченности

двух гетероструктур SIO/LSMO с разными толщи-

спиновой системы в этой структуре. Во-вторых, этот

нами пленки. Измерения проводились на стандарт-

сигнал имеет значительно большую ширину и де-

ном спектрометре ER 200 фирмы Bruker на частоте

монстрирует наличие, по крайней мере, двух спино-

9.2 ГГц при T = 294 К. При этом вектор внешнего

вых подсистем. При понижении температуры спектр

магнитного поля всегда находился в плоскости об-

от гетероструктуры SIO/LSMO с толщиной пленки

разца (так называемая параллельная ориентация).

LSMO 3.5 нм сливается в одну линию, доказывая,

Все три спектра показаны для случая, когда внеш-

что мы имеем дело с единой системой упорядочен-

нее магнитное поле направлено вдоль легкой оси

ных спинов, намагниченность которой становится

плоскостной одноосной магнитной анизотропии [10].

более однородной с понижением температуры. В ре-

Известно, что исследованная пленка иридата

зультате была получена температурная зависимость

стронция SIO является парамагнетиком [14]. Чув-

величины резонансного поля для обеих представ-

ствительность нашего спектрометра не позволяет

ленных в данной работе гетероструктур SIO/LSMO.

регистрировать сигнал парамагнитного резонанса

На рис. 5 показаны значения резонансного поля

от пленки SIO толщиной 10 нм а значит, показан-

двух гетероструктур, полученные при условии, что

ные на рис. 4 спектры относятся к ферромагнит-

внешнее магнитное поле направлено вдоль трудной

ному резонансу манганита LSMO в гетерострукту-

оси плоскостной одноосной магнитной анизотропии.

ре SIO/LSMO. Из рисунка видно, что спектр ФМР

Такое направление внешнего магнитного поля бы-

от гетероструктуры SIO/LSMO с толщиной пленки

ло выбрано из условия минимального вклада маг-

LSMO 12 нм очень похож на спектр от автоном-

нитной анизотропии в резонансное соотношение для

ной пленки: значения резонансных полей и, значит,

ФМР [10]. Таким образом, можно считать, что по-

137

Т. А. Шайхулов, Г. А. Овсянников, В. В. Демидов, Н. В. Андреев

ЖЭТФ, том 156, вып. 1 (7), 2019

H₀, кЭ

наблюдалось в различных сверхрешетках, в состав

3.0

которых входили слои SIO: (SrMnO₃/SIO)n [17],

(SrTiO₃/SIO)_n [18], (LSMO/SIO)_n [19, 20]. Можно

предположить, что пленка SIO переходит в фер-

2.5

ромагнитное состояние вблизи температуры 50 К.

Межслойное обменное взаимодействие двух ферро-

магнетиков является причиной резкого уменьшения

2.0

резонансного поля. Точное значение намагниченно-

сти пленки LSMO с учетом влияния магнитной ани-

зотропии можно определить из измерений угловых

зависимостей спектров ФМР при разных темпера-

1.5

турах.

100

150

200

250

300

T, K

5. ВЫВОДЫ

Рис. 5. Зависимости величины резонансного поля от тем-

Таким образом, измерения транспортных и

пературы для двух гетероструктур SIO/LSMO с толщина-

магнитных свойств эпитаксиальных гетероструктур

ми пленки манганита 3.5 нм (кружки) и 12 нм (треуголь-

ники) при толщине пленки SIO 10 нм

SrIrO₃/La0.7Sr0.3MnO₃ показали наличие необыч-

ных свойств границы раздела материалов. Резуль-

таты измерений свидетельствуют о наличии канала

проводимости границы раздела иридат/манганит и

лученная температурная зависимость характеризу-

о возможном возникновении ферромагнетизма на

ет изменение намагниченности образца. В этом при-

границе SIO/LSMO при температуре ниже 50 К.

ближении можно говорить, что уменьшение значе-

ния резонансного поля обусловлено увеличением на-

Благодарности.

Авторы

признательны

магниченности образца.

В. А. Ацаркину, А. Л. Климову, А. М. Петржику и

Из анализа температурных зависимостей резо-

Т. А. Свиридовой за полезное обсуждение и помощь

нансного поля H₀ (рис. 5) следует, что температура

в эксперименте.

Кюри для структуры с толщиной слоя LSMO 3.5 нм

Финансирование. Работа выполнена в рамках

лишь немного больше 300 К. В то же время для гете-

государственного задания и частично поддержана

роструктуры LSMO/SIO с толщиной пленки LSMO

Российским фондом фундаментальных исследова-

10 нм температура Кюри заметно выше, 340-350 К,

ний (гранты №№ 19-07-00143, 17-02-00145.)

что типично для автономной пленки LSMO на под-

ложке из NGO. Заметим, что понижение темпера-

Работа подготовлена по итогам XXXVIII Сове-

туры Кюри для тонких пленок с уменьшением тол-

щания по физике низких температур (НТ-38).

щины является известным эффектом. Значительно

больше вопросов вызывает резкое уменьшение вели-

чины H₀ в обеих структурах при уменьшении темпе-

ЛИТЕРАТУРА

ратуры ниже 50 К. Объяснить такое падение резким

1. Н. Г. Бебенин, Р. И. Зайнуллина, В. В. Устинов,

ростом намагниченности слоя LSMO нельзя, так как

УФН 188, 801 (2018).

это противоречит измерениям автономных пленок

LSMO. Обычно с понижением температуры зависи-

2. L. Zhang, B. Pang, Y. B. Chen, and Y. Chen, Crit.

мость H₀(T ) выходит на насыщение при температу-

Rev. Sol. St. and Mater. Sci. 43, 367 (2018).

рах ниже 100 К. Возможно, пленка SIO влияет на

3. D. Pesin and L. Balents, Nature Phys. 6, 376 (2010).

спектр ФМР пленки LSMO. Аналогичный рост на-

магниченности слоя LSMO при температурах ниже

4. F. Wang and T. Senthil, Phys. Rev. Lett. 106, 136402

150 К в двухслойной структуре LSMO/SRO/NGO

(2011).

(здесь SRO-SrRuO₃) [14] наблюдался в работе [15].

5. D. Xiao, W. Zhu, Y. Ran et al., Nature Comm. 2,

Там этот эффект был обусловлен возникновением

596 (2011).

межслойного обменного взаимодействия [16] после

перехода слоя SRO в ферромагнитное состояние.

6. T. Seki, Yu. Hasegawa, S. Mitani et al., Nature Mater.

Возникновение ферромагнетизма в тонком слое SIO

7, 125 (2008).

138

ЖЭТФ, том 156, вып. 1 (7), 2019

Магнитные и резистивные свойства.. .

7. E. Saitoh, M. Ueda, H. Miyajima, and G. Tatara,

14. M. Longo, J. A. Kafalas, and R. J. Arnott, J. Sol. St.

Appl. Phys. Lett. 88, 182509 (2006).

Chem. 3, 174 (1971).

8. X. L. Qi, T. L. Hughes, and S. C. Zhang, Phys. Rev.

15. V. V. Demidov and G. A. Ovsyannikov, J. Appl.

B 78, 95424 (2008).

Phys. 122, 013902 (2017).

9. A. Manchon, H. C. Koo, J. Nitta et al., Nature Mater.

16. Н. М. Крейнес, Д. И. Холин, С. О. Демокритов,

14, 871 (2015).

ФНТ 38, 1041 (2012).

10. В. В. Демидов, И. В. Борисенко, А. А. Климов и

17. J. Nichols, X. Gao, S. Lee et al., Nature Comm. 7,

др., ЖЭТФ 139, 943 (2011).

12721 (2016).

18. Di Yi, C. L. Flint, and P. P. Balakrishnan, Phys. Rev.

11. Ю. В. Кислинский, Г. А. Овсянников, А. М. Петр-

Lett. 119, 077201 (2017).

жик, ФТТ 57, 2446 (2015).

19. Di Yi, Jian Liu, Shang-Lin Hsu et al., Proc. Nat.

12. E. Dagotto, Science 309, 257 (2005).

Acad. Sci. 113, 6397 (2016).

13. S. Thiel, G. Hammer, A. Schmehl et al., Science 313,

20. Di Yi, Charles. L. Flint, Purnima P. Balakrishnan et

1942 (2006).

al., Phys. Rev. Lett. 119, 077201 (2017).

139