Interfacing Eu0 in confined oxide and metal heterostructures
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Date
2018
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Abstract
EuO ist ein ferromagnetischer Isolator, eine seltene Materialklasse, welche ferromagnetische
und isolierende Eigenschaften verbindet. Wir präparieren EuO schichten auf SrTiO3
(001) und anderen Oxiden in dem wir einen neuen Ansatz, die Redox Reaktion mit dem
Substrat, verwenden. Indes entwickeln wir eine XPS Anpassungsroutine auf der Basis
vorher gemessener Spektren des Eu 3d Kernniveaus. Die Redox Wachstumsmethode
funktioniert im Temperaturbereich TS = 300 C-600 C, in dem wir stöchiometrisches
EuO erhalten, abzüglich einer kleiner überoxidierten Region nahe der Grenzfläche. Wir
analysieren die Wachstumsrate und finden ein Mott-Cabrera-artiges Wachstum, welches
durch die ionische Sauerstoffleitfähigkeit des Substrates begrenzt wird. Die Kristallstruktur
wird analysiert und wir finden eine epitaktische Beziehung von EuO(110)/SrTiO3
(100) und EuO(001)/SrTiO3 (001). Die magnetischen Eigenschaften sind vergleichbar
mit denen von "bulk" EuO und eine maximale Schichtdicke von dEuO=15nm wird beobachtet.
Die hier vorgestellte Methode reduziert die Komplexität das Wachstums, da die
Sauerstoffpartialdruckkalibration wegfällt. Um Filme d > 15nm zu erhalten lässt sich die
bekannte adsorptionslimitierte Methode, nachdem das Redox Wachstum abgeschlossen
ist, verwenden.
Die elektronischen Eigenschaften von EuO/Oxid Heterostrukturen und EuO/Metall
Grenzflächen werden analysiert. Indem ARPES an EuO/SrTiO3 gemessen wird, entdecken
wir ein 2DEG, welches mit der Literatur von LAO/SrTiO3 übereinstimmt. Unsere
Messung erweitert die bisherigen Arbeiten in zwei Gesichtspunkten, insofern, als dass wir
ein 2DEG durch eine kontrollierte Redox Reaktion an der Grenzfläche hervorrufen und
nun eine magnetische Wechselwirkung direkt am 2DEG angekoppelt ist. In einer weiteren
Messung beobachten wir ein weiteres 2DEG, jedoch nun an der EuO/BaTiO3 Grenzfläche.
Das besondere Interesse liegt hierin begründet, als dass andere Studien zeigten, dass
für ein BaTiO3 2DEG die ferroelektrischen Eigeschaften des BaTiO3 erhalten bleiben.
Anderesrseits ist das EuO/BaTiO3 Interface dafür bekannt, dass der Magnetismus von
der im Substrat herrschenden ferroelektrischen Polarisation abhängt. An der dritten
Grenzfläche, EuO/Pt wird ein gegenteiliger Effekt, ein 2DHG, vorausgesagt. Wir messen
mit HAX-MCD die elementspezifischen magnetischen Eigenschaften und finden eine
erhöhte Curietemperatur. Diese wird erwartet für genau die Wechselwirkung, welche
auch zu dem 2DHG führt, welches wir als erstes Anzeichen für das vorhandensein des
voraussgesagten 2DHG verstehen.
Im letzten Teil werden die magnetischen Eigenschaften von Co/EuO, erneut elementspezifisch,
mit XMCD studiert. Wir benutzen die Summenregeln, welche auch für Seltene
Erden angewendet werden können. Hiermit bestimmen wir die Austauschwechselwirkungslänge
2 AFM = (5.6 ± 1.4)nm. Dies zeigt, dass sich der Effekt nur auf dünne EuO Filme
auswirkt. Indem wir eine Hystereseschleife messen, entdecken wir auch Ferromagnetismus
an Raumtemperatur, was deutlich über der Curietemperatur von EuO TC = 69K liegt.
Wir benutzen die Daten der Hysterese um die Stärke der Austauschwechselwirkung zu
bestimmen und erhalten J = 0.278 meV 5Jbulk. Wir ordnen diesen Effekt als magnetischen
Nachbarschaftseffekt ein. Auch ultra-dünne filme dEuO = 2ML werden untersucht
und zeigen ähnliche Ergebnisse und M(300K) = 1 μB/f.u., so dass sich mit Sicherheit
sagen lässt, dass auch ultra-dünne EuO filme einen Raumtemperaturferromagnetismus
durch die Grenzflächenwechselwirkung mit Co erhalten.
Zusammengefasst haben wir eine neuartige Synthesemethode für hochwertiges EuO
entwickelt, indem wir eine Substratredoxreaktion ausnutzen. Dadurch war es uns möglich
faszinierende Grenzflächenphenomene in Oxid- und Metallheterostrukturen zu beobachten,
welche von zwei-dimensionaler Leitfähigkeit bis hin zu der Entdeckung von
Raumtemperatur Ferromagnetismus in EuO Filmen erstrecken. Auf diesem Wege eröffnen
sich möglicherweise neue Richtungen im Bezug auf zukünftige EuO Studien.
Description
Table of contents
Keywords
Europiumoxide, MBE, Room-temperatur magnetism, Interface, 2DEG, SrTiO3, 2D hole gas, Charge transfer, HAXPES, ARPES, XMCD