“三明治”结构是LSMO薄膜保持磁性的关键

北卡罗莱纳州立大学的研究人员发现，氧化陶瓷材料镧锶锰(LSMO)如果被“夹”在两层不同的陶瓷氧化物镧锶铬氧化物(LSCO)之间，则其磁性能保持在原子薄层中。这一发现对LSMO在基于自旋电子学的计算和存储设备中的未来应用具有启示意义。

LSMO在体积形式下具有磁性和金属性质。这种材料的导电性可以通过改变其磁场来改变，这使得LSMO在自旋电子器件中用作开关很有吸引力。然而，当材料达到一定厚度(5到10个原子层)时，它就失去了这些特性。

北卡州立大学的物理学助理教授Divine Kumah在一篇论文中描述了这项工作，他想知道为什么LSMO在特定厚度时失去了磁性，并想找到一种方法使LSMO具有磁性。

Kumah和他的同事以及来自北卡罗来纳州立大学的研究生们，首先在钛酸锶上生长了LSMO薄膜——钛酸锶是一种通常用作中性支架的非磁性衬底。该团队将薄膜厚度从2到10个原子层，并测试其磁性。

接下来，研究小组利用了阿贡国家实验室的同步加速器光源，这样他们就可以获得LSMO薄层内原子排列的三维视图。他们发现，在极薄的情况下，氧原子和锰原子在材料表面稍稍偏离了排列，有效地关闭了材料的磁性。

Kumah说:“在大约5个原子层上，我们看到了原子层表面和支架底部界面的扭曲。”“氧原子和锰原子会重新排列。LSMO中的磁性和导电性与这两个原子如何结合有关，所以如果薄膜中存在极性扭曲，它们上下移动，键被拉伸，电子不能有效地穿过材料，磁性被关闭。”

该团队注意到，这些变形从胶片的顶部开始，延伸到表面以下大约三层。

“我们发现这种扭曲的发生是因为晶体结构在表面产生了电场，”Kumah说。氧和锰原子的运动是为了抵消电场。我们面临的挑战是，在与LSMO结构兼容的界面上生长一些东西，但同时也要绝缘——这样我们就可以去除电场，停止氧和锰原子的运动，并保持磁性。”

研究人员发现，通过使用LSMO两侧的两层LSCO, LSMO可以在两个原子层上保持其磁性。

“这就像三明治——LSCO是面包，LSMO是肉，”库马说。“在这种安排中，你可以使用少于五层的LSMO，而不需要任何原子位移。希望我们的工作已经表明，这些材料足够薄，可以用于自旋电子学设备。”

这项研究发表在npj量子材料由国家科学基金会和能源部支持。北卡罗来纳州立大学博士生Sanaz Koohfar是第一作者。北卡罗来纳州立大学研究生奥布里·佩恩、材料科学副教授詹姆斯·勒博、熨烫研究所的亚历山德鲁·乔治斯库和劳伦斯伯克利国家实验室的埃尔克·阿仑霍兹也对这项工作做出了贡献。

皮克-

编辑:一个抽象的。

La0.7Sr0.3CrO3/La0.7Sr0.3MnO3异质结构中磁性的限制

DOI:10.1038 / s41535 - 019 - 0164 - 1

作者: Sanaz Koohfar, Aubrey Penn, James LeBeau, Divine Kumah, North Carolina State University;亚历山大·乔治斯库，熨斗研究所;埃尔克·阿伦霍兹，高级光源，伯克利
发表:NPJ量子材料

文摘:
在存在价错配的晶体界面上，电子和结构的相互作用可能会缓解极性错配，从而导致非块状相的稳定。结果表明，La0.7Sr0.3MnO3界面自发重建与薄膜厚度受抑制的铁磁性有关，其顺序为单位胞序。利用高分辨电子显微镜、第一性原理、同步x射线散射、磁谱和温度依赖磁测技术研究了La0.7Sr0.3CrO3-La0.7Sr0.3MnO3配价界面的结构和磁性性质。La0.7Sr0.3CrO3和La0.7Sr0.3MnO3层之间的反铁磁耦合和界面极性畸变的抑制使得超薄La0.7Sr0.3MnO3具有较强的长程铁磁有序。这些结果强调了界面结构和磁相互作用在基于二维氧化磁系统器件设计中的关键重要性。