Навигация по сайту

     Манганиты лантана с колоссальным магнитосопротивлением, в которых при переходе металл-изолятор резко изменяется электросопротивление и поглощение света, Moгут быть использованы при создании целого ряда оптоэлектронных приборов [1]. В связи с изучением возможности применения манганитов лантана в технике является актуальным исследование их магнитооптических свойств. Вместе с тем магнитооптика дает важную информацию об электронных переходах, электронной и спиновой структуре. В данной работе представлены результаты исследования эффекта Фарадея (ЭФ) в пленках La_0.7Sr_0.3MnO_3-δ (LSMO).

     Монокристаллические пленки LSMO толщиной 900 А были выращены на подложках SrTiО₃ (100) (STO) методом ионно-плазменного напыления в атмосфере Аr:О₂ = 4: 1 при рабочем давлении в процессе напыления 1—8 Тоrr и отличались температурой подложки во время напыления; 600 (1) и 480°С (2). Ось с пленки направлена перпендикулярно поверхности. Анализ химического состава и температурного поведения электросопротивления пленок описаны в работе [2]. Температура максимума электросопротивления в области перехода металл-изолятор пленки 1 составила Т_р — 227К, пленки 2 — Т_р — 165 К. В диапазоне температур Т_Р<Т < 300 К электросопротивление пленок имеет полупроводниковый характер, а ниже Т_р — металлический. Величина максимума сопротивления пленки 1 в ~ 2 раза ниже, чем для пленки 2.

     Для измерения ЭФ была применена двухлучевая оптическая схема, собранная на базе спектрометра МДР-12. В этой схеме монохроматический свет, пройдя через поляризатор и образец, расщепляется призмой Волластона на два луча. Призма одновременно является анализатором для обоих лучей. Угол между плоскостью поляризации поляризатора и призмы Волластона составляет 45°, вследствие чего оба луча имеют одинаковую интенсивность. Появление ЭФ приводит к изменению интенсивностей лучей. Разность интенсивностей лучей регистрируется электронной системой (Y). Магнитное поле направлено вдаль плоскости пленки, установленной под углом 68° к падающему свету. Величина удельного фарадеевского вращения (ФВ) определялась из выражения F — Q_F/ (d sin(φ)), где d — длина оптического пути в пленке, φ — угол между направлением распространения света в пленке и нормалью к поверхности пленки. QF определялась по формуле Q_F = (ΔYK₁)/(8Y₀K₂), где ΔY — разность сигналов для двух направлений магнитного поля; Y₀ — сигнал от одного из лучей в отсутствий вращения плоскости поляризации; К₁,К₂ — коэффициенты усиления при измерении ΔY и Y₀. Спектры ФВ в пленках были измерены в области 2 3eV, в магнитных полях до 1 кОе и температурном интервале от 90 до 300 К, Спектры поглощения света в пленках измерены в диапазоне 0.1-2.5 eV.

     Характерный вид спектра поглощения пленок La_0.7Sr_0.3MnO_3-δ, в которых нами наблюдался ЭФ, представлен на рис. 1. В спектре наблюдается полоса при 1.5 eV. При охлаждении пленки в ферромагнитной области максимум полосы испытывает сдвиг в сторону низких энергий. Выше 2eV наблюдается рост поглощения. В температурной зависимости интенсивности прошедшего через пленку света в области взаимодействия света со свободными носителями заряда при энергии 0.18eV ( λ= 7μm) появляется излом при Т = 227 К (вставка на рис. 1), который совпадает максимума сопротивления Тр. Такое изменение интенсивности в области взаимодействия света с носителями заряда является характерной чертой для манганитов лантана [1,3].

     В спектрах оптической проводимости манганитов LaMnO₃ выделяются низкоэнергетическая полоса 24 еV и высокоэнергетическая полоса 5.2 еV [4], которые естественно связать с d-d-переходом ⁵E_g-⁵T_2g в ионах Мn³⁺ и нижним по энергии из переходов с переносом заряда О2р-МnЗd в октаэдрических комплексах (МnО₆)^8- соответственно [5]. Введение ионов Са²⁺, Sr²⁺ (дырочное допирование) приводит к существенной перестройке оптических свойств в широком спектральном диапазоне. Интенсивность низкоэнергетической полосы 2.4 eV резко падает, а высокоэнергетическая полоса постепенно смещается в область меньших энергий. Спектральный вес в целом перемещается в инфракрасную область с отчетливо выраженным пиком при 1.5 eV [4]. Природа этого пика обсуждалась различными авторами. Согласно [4] он связан с переходом с переносом заряда O2p-Mn3d, тогда как другие авторы связывают его с различными одноцентровыми либо двухдентровыми d -d-переходами. Так, по мнению авторов работы [6], это полоса поглощения, вероятно, связана с непрямыми переходами между занятыми е_(1)g^ - и пустыми е_(2)g^- состояниями, где состояния е_(1)g^ и е_(2)g^ принадлежат е_g-зоне ионов Мn³⁺, расщепленной ян-теллеровским взаимодействием. Такой электродипольный d-d-переход возможен из-за гибридизации e^g-состояний Мn с 2р-состояниями кислорода. Сдвиг полосы и рост величины коэффициента ИК поглощения в области ферромагнитного упорядочения связан с появлением вклада зонных носителей и перераспределением спектрального веса из высокоэнергетической в низкоэнергетическую область [3]. На наш взгляд, этот переход может быть связан также и с d-d-переходом ⁵E_g-⁵T_2g в ионах Мn³⁺ кристаллическое поле для которых экранировано дырочной плотностью, частично локализованной на окружающих ионах кислорода.

     Основная часть оптической информации в титанитах получена путем обработки спектров отражения, что не позволяет обнаружить и, тем более, исследовать многие важные особенности, связанные с относительно слабыми, но весьма информативными d-d-переходами и запрещенными переходами с переносом заряда. В частности, это касается переходов в ионах Мn⁴⁺, или в октаэдрических комплексах (МnО₆)^8-, появление которых в системах типа La_1-xSr_xMnO₃ является следствием дырочного допирования. Магнитооптика таких переходов в пирохлорах А₂Мn₂О₇ с октаэдрическими комплексами (Мn⁴⁺О₃)^8- в спектральном диапазоне 1.5-4.5 eV исследовалась в работе [7] с помощью эффекта Кeрра. Были обнаружены полосы вблизи 2.6 и 3.1 eV, приписанные d-d-переходам ⁴A_2g-⁴T_2g и ⁴A_2g-⁴T_1g в ионах Mn⁴⁺, или в октаэдрических комплексах (МnО₆)⁸- соответственно. Полоса вблизи 3.8 eV, а также очень интенсивная полоса с максимумом К > 4.3 eV могут быть приписаны запрещенному и разрешенному переходам с переносом заряда соответственно. Эта классификация в целом согласуется и с данными работы [8], основанными на измерениях спектров люминесценции маганитов. Таким образом, исследование магнитооптических спектров допированных манганитов могло бы дать важнейшую информацию о Мn⁴⁺ ионах, с которыми связываются уникальные свойства этих оксидов.

     Результаты единственного измерения эффекта Фарадея в манганитах на системе La_1-хCa_хMnО₃ в области 1.5-3.0eV были приведены в работе [9]. Не проводя детального анализа спектральных и температурных зависимостей, авторы отметили наличие большого фарадеевского вращения с максимумами вблизи предположительно 1.2 и 3.1 eV. Исследования магнитооптического эффекта Керра (ЭК) для системы La_1-xSr_хMnO₃ в области 0.9-5.3eV проведены в работе [10]. Спектральные зависимости комплексного полярного ЭК, а точнее рассчитанные на их основе недиагональные компоненты тензора диэлектрической проницаемости, были обработаны в простейшей "двухосцилляторной" модели. Эта модель удовлетворительно описывает низкочастотную полосу с пиком при 1.2 eV, однако в области 2-5 eV расхождение между наблюдаемым спектральным поведением и вкладом одного модельного "осциллятора" с энергией 3.1 eV выходит далеко за рамки ошибки. Авторы приписали магнитооптическую активность в исследуемом диапазоне вкладу переходов с переносом заряда Q2p-Mn3d. ЭК на эпитаксиальных пленках (Lа_0.3Pr_0.35)Са_0.3МnО₃ был измерен в спектральной области 1.5-3.8eV [ll]. Авторы обнаружили интенсивный магнитооптический переход с центром при 2.7-3.0eV. В целом для исследуемых нами пленок LSMO следует ожидать сильной магнитооптической активности Мn⁴⁺ ионов в области 2-3 eV.

     В спектре удельного ФВ пленки 1 при 90 К наблюдается полоса при hΩ = 2.69 eV с величиной в максимуме ~25 000°/ cm (рис. 2). В спектре пленки 2 полоса ФВ немного смещена в сторону больших энергий и величина ЭФ в максимуме при 2.72 eV составляет ~ 18 000 °/сm. В работе [9] в спектре ФВ пленки состава La_0.7Са_0.3МnO₃ при энергии 2.7 eV и температуре 100 К наблюдалось плечо величиной ~ 25 000 °/сm.

     Сравнение полученных данных с результатами работ [7,8] по спектроскопии октаэдрических ионов Мn⁴⁺ позволяет однозначно связать полосу при 27 eV с d-d-переходами ⁴A_2g—⁴T_1g в ионах Мn⁴⁺. Природа магнитооптической активности этих переходов связана со спин-орбитальным взаимодействием в ⁴T_2g -состояниях с эффективным орбитальным моментом L = 1 и обменным взаимодействием. Объем магнитооптически активной ферромагнитной фазы в пленке определяется присутствием ионов Мn⁴⁺. Для одного и того же состава количество ионов, по-видимому, разное и, вероятно, связано с отклонением состава пленок от стехиометрии по кислороду. Доноры — вакансии по кислороду компенсируют акцепторы — ионы Мn⁴⁺, созданные при легировании Sr. Меньшая величина ФВ для пленки 2 по сравнению с пленкой 1 может быть связана с меньшим объемом ферромагнитной фазы. Несимметричная форма полос может быть связана, скорее всего, с неоднородным уширением, а также с близостью перехода ⁴A_2g-⁴T_1g в ионах Мn⁴⁺, имеющего максимум при 3.1 eV [7,8].

     Температурная зависимость удельного фарадеевского вращения F(T) пленки 1 была измерена при 2.6 eV и магнитном поле H — 600 Ое (вставка на рис. 2). Ход кривой F(T) отражает поведение температурной зависимости намагниченности и имеет затянутый хвост. По виду зависимости F(T) можно предположить, что в объеме пленки существуют ферромагнитные области с различными Т_с. Наибольший вклад в ФВ дают области с эффективной температурой Кюри Т_с = 228К. полученной по максимуму первой производной зависимости F(T). Вблизи этой температуры излом в температурной зависимости интенсивности света, прошедшего через пленку (вставка на рис.1). Определенная таким же способом температура Кюри пленки 2 составляет Т_с и 165 К. В исследуемых пленках Т_с существенно ниже, чем Т_с монокристаллов и поликристаллов такого же состава. Уменьшение Т_с, вероятно, также связано с отклонением состава пленок от стехиометрии по кислороду. Затянутые хвосты температурной зависимости ЭФ свидетельствуют о магнитной неоднородности пленок Появлению различных неоднородностей в пленках способствуют также напряжения, возникающие из-за несоответствия параметров решетки подложки STO и пленки La_0,7Sr_0,3MnO_3-δ, которое составляет 0.57%.

     Намагниченность насыщения (H_S), измеренная на вибрационном магнитометре в исследуемых пленках при 77 К, достигается в очень малых полях, параллельных плоскости пленки H_s ~ 10 Ое, что свидетельствует о легкоплоскостной анизотропии пленки LSMO. Петля гистерезиса является прямоугольной (вставка на рис. 3). Такой же результат был получен на вибрационном магнитометре для пленки LSMO (Т_с - 350 К) на STO [12] и на эффекте Керра [13]. Авторы наблюдали насыщение пленки в поле ~5Ое при ~ 300 К.

     Полевая зависимость удельного ЭФ для пленки 1 измерена в долях, значительно превышающих H_s. Как видно из рис. 3, в полях до 1000 Ое при 90 К и энергии фотонов 26 eV эффект Фарадея не достигает насыщения.

     Поскольку магнитное поле при измерении ЭФ было приложено параллельно плоскости пленки, так же как при измерении намагниченности, то значительный наклон кривой F(H) в полях, превышающих H_s свидетельствует о наличии существенного парапроцесса вплоть до полей 1000 Ое. Это явление дополнительно подтверждает существование магнитных неоднородностей в исследуемых пленках. Таким образом, увеличение неоднородности пленок ведет к росту электросопротивления и уменьшению магнитооптического эффекта Фарадея.

     Используя данные коэффициента поглощения (К) пленки 1 (рис. 1) и удельного ФВ (рис. 2), была оценена магнитооптическая добротность LSMO D = 2F/K = 0.2 при 2.69 eV и 90 К. По-видимому, повышение магнитной однородности пленок LSMO является существенным для увеличения их магнитооптической добротности и возможного использования в качестве магнитооптической среды в модуляторах, работающих на основе эффекта Фарадея, для модуляции света при комнатной температуре.

     Таким образом, в пленках La_0,7Sr_0,3MnO_3-δ обкаружена интенсивная магнитооптическая полоса с центром при ~2.7eV, связанная с переходом ⁴А_2g-⁴T_2g в ионах Мn⁴⁺. Характер спектральной, температурной и палевой зависимости ЭФ указывает на наличие электронной и спиновой неоднородности в исследуемых пленках, управление которой будет определять возможности их применения.

     Работа выполнена при поддержке Международного фонда ИНТАС (грант INTAS-97-30253) и фонда РФФИ (№ 99-02-16280).

     Список литературы

     [1] Сухоруков Ю.Л., Лошкарева H.Н., Ганьшина Е.Л. и др. //ГТЖТФ. 1999. Т. 25. С. 6-13.

     [2] Mukovskii Ya.M., Shmatok A.V. //JMMM. 1999. VoL 196-197. P. 136-137.

     [3] Лошкарева Н.Н., Сухоруков ЮЛ., Архипов В.Е. и др. //ФТТ. 1999. Т. 41. С. 475-482.

     [4] Takenaka К., Ма К., Sawaki Y et aL // I Phys. Soc. Jap.1999. Vol. 68. P. 1828-1831.

     [5] Coey J.M., Viket M, von Mohtar S. // Advance in Physics.1999. Vol. 48. P. 167 293.

     [6] Jung Ш, Kim КЛ Noh YW. Jl Phys. Rev. 199a VoL B57.R Rl 1043 Rl 1046.
     [7] Ealykma EA, Ganshma EA, Krinchik GS. ct aL // JMMM.1992. Vol. 117. P. 259-269.

     [8] Paidusz AG, Burrus HI //Chcm. Phys. Lett 1972. VoL 17. P. 527-530.

     [9] Lawler J.F, Lunney J.G., Coey J.M.D. II AppL Phys. Lett 1994. Vol. 65. P. 3017-3018.

      [10] Yamaguchi S., Okimoto Y, hhibashi K. et aL 1/ Phys. Rev.1998. Vol. В 58. P. 6862-6870.

     [11] Ganshma EA, Gorbenko O.Yu. et aL // J. Phys. Condens Matter. 2000. Vol. 12. P. 2857 2864.

     [12) Kwort C, Robson M.C, Kim КС. ct aL // JMMM. 1997.VoL 172. P. 229-233.

     [13] Bodo IF, Magnota D., Porres R. ct aL // J. AppL Phys.2000. Vol. 87. P. 6773-6775.