연 X-선 공명산란을 이용한 다층 전이금속산화물의 전자구조와 자성구조 연구 : Resonant Soft X-ray Scattering Study on the Electronic and Magnetic Structures of Oxide Superlattices

국문 초록 (Abstract)

다층 전이금속산화물의 계면에서 일어나는 전자구조의 재구조화를 연 X-선 공명산란을 이용해서 연구했다. 우리는 연 X-선 공명산란은 X-선 흡수분광법과 X-선 반사도의 장점을 결합한 것으로 전자구조를 깊이에 대한 함수로 구할 수 있으며 선평광과 원평광 X-선을 이용하면 스핀과 궤도함수의 구조도 얻을 수 있다. 또한 원자마다 다른 흡수끝머리 값을 이용하여 전자구조를 각각의 원자에 대해 개별적으로 구할 수 있다. 연 X-선 공명산란 결과로부터 LaAlO3/SrTiO3(LAO/STO)와 La2/3Ba1/3MnO3/LaNiO3(LBMO/LNO)의 계면에서 전자구조의 재구조화가 일어난다는 분명한 증거를 발견했으며 그 구조의 특성들도 구했다. 다층 전이금속산화물의 물리적인 성질은 계면의 전자구조에 크게 영향을 받으므로 구한 전자구조가 이 다층산화물의 전체적인 특성을 이해하는데 중요한 실마리를 제공할 것이다.
LAO/STO 계면은 전도성, 초전도성, 자기저항과 같은 흥미로운 특성을 보이나 계면에서의 전자구에 대한 실험의 아래쪽 덩어리 부분으로부터 계면의 구조를 분리하는 것이 어려워 거의 이루어지지 않았다. 연 X-선 공명산란 실험을 통해 LAO/STO 다층박막 계면에서의 전자구조의 특성을 얻었다. (003) 다층박막 반사의 경우 대칭구조에 의해서 거의 금지반사가 되나 Ti L2,3와 O K 흡수끝머리 값 근처에서 산란된 X-선의 세기가 크게 증가하는 것을 볼 수 있으므로 계면에서의 전자구조가 변했다는 것을 알 수 있다. 그리고 σ 편광에 대한 π 편광일 때 산란된 X-선의 세기가 구면대칭인 경우에 기대되는 값보다 9배 정도 큰 값을 가진다. 이것은 Ti d 궤도함수의 겹칩이 없어짐으로 인해 생긴 Templeton 산란 때문이다. O K 흡수끝머리 근처에서의 연 X-선 공명산란 결과에서는 Ti t2g 궤도함수와 결합하고 있는 O p 궤도함수와 일치하는 봉우리가 둘로 갈라지과 각각의 봉우리의 높이가 편광에 따라 다른 것을 볼 수 있는데 이로부터 dxy 궤도함수가 다른 t2g 궤도함수들도다 약 1 eV 정도 낮은 에너지를 가진다는 것을 알 수 있다. 정방 찌그러짐의 영향을 확인하기 위해 STO와 NdGaO3 두 종류의 기판에서 키운 시료를 이용했는데 연 X-선 공명산란 측정결과 두 시료가 비슷한 모양을 가지는 것을 볼 수 있다.
LBMO는 강자성 도체이고 LNO는 상자성 도체이므로 LBMO/LNO 다층박막은 전형적인 거대자기저항 물질들과 같은 구조를 같고 있으나 측정된 자기저항 값은 매우 작다. 연 X-선 공명자기산란 결과를 정량적으로 분석해서 전하과 자기 산란진폭을 구했다. 전하 (자기) 산란진폭의 허수 부분은 흡수분광 (자기원평광이색성) 스펙트럼과 같은 에너지의존성을 가지므로 이로부터 전자구조와 자기구조를 구할 수 있다. 실험으로 구한 흡수분광 스펙트럼과 비교를 통해서 Mn 당 약 0.5개의 전자가 Ni로 계면을 통해서 이동했다는 것을 알 수 있었다. 그리고 계면에서 Mn의 자기모멘트는 줄어들고 Ni에는 자기모멘트가 유도된다는 결과를 얻었다. 이와 같은 전하의 이동으로 인해 LNO는 상자성 도체에서 반강자성 부도체로 상전이가 일어나고 이것으로 일반적이지 않은 자기저항 값을 설명할 수 있다.
연 X-선 공명자기산란을 이용해 LBMO/LNO에서 일어나는 상호층 교환 결합에 대해서도 연구했다. 측정된 연 X-선 공명자기산란 히스테리시스 결과의 정량적인 분석으로부터 각각의 LBMO층에서의 자기히스테리시스 값을 구했으며 외부자기장의 없을 때 인접한 층의 자기모멘트느 거의 반평형 관계에 있다는 것을 확인할 수 있었다. 각층에서의 자기히스테리시스와 전체 시료의 자기히스테리시스 결과로부터 상호층 교환 결합 상수 값을 구했다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The depth-resolved electronic and magnetic structures of transition metal oxide superlattices were studied using resonant soft x-ray scattering. In order to obtain information on spin and orbital states, circularly and linearly polarized x-rays were used, respectively. Element-specificity was also achieved by exploiting the resonant enhancement in the vicinity of absorption edges.
LaAlO3/SrTiO3 (LAO/STO) superlattices were studied to characterize their interface reconstructions. Near Ti L2,3 edges comparable intensities between σ- and π-polarizations observed at a (003) reflection, even though the angle between incident and scattered x-rays is around 70 degrees, are attributed to Templeton scattering caused by degeneracy-lifting of Ti $3d$ orbitals at the interfaces. From the results near O K edge it was found that the dxy orbital has lower energy by about 1 eV than other t2g orbitals. We used two LAO/STO superlattices grown on STO and GdGaO3 substrates in order to check the effect of tetragonal distortion on the interface electronic reconstruction. Experimental results for the both samples present the similar features.
We studied reconstructed interface structures of a superlattice consisting a half metallic ferromagnet La2/3Ba1/3MnO3 (LBMO) and a metallic paramagnet LaNiO3 (LNO). In this superlattice, adjacent LBMO layers are coupled antiferromagnetically so that this superlattice has same structure as multilayers exhibiting giant magnetoresistance. However, its magnetoresistance is very small. The electronic and magnetic structures at the interfaces are resolved for those in the bulk by using quantitative analysis of soft x-ray resonant magnetic scattering (SXRMS) data. It was found that about 0.5 electron per Mn ion is transferred to the Ni ions through the interface, the magnetizations of the Mn ions are suppressed at the interface, and the LNO spacer layer becomes antiferromagnetic. As a result of charge transfer, the LNO layers changes from paramagnetic conductor to a antiferromagntic insulator, and the unusual magnetoresistance behavior is attributed to it.
Finally, the interlayer exchange coupling in the LBMO/LNO superlattice was investigated. The magnetic hysteresis loop of each LBMO layer was extracted from measured SXRMS data, and the obtained layer-resolved LBMO hysteresis loops were utilized to determine the bilinear and biquadratic interlayer exchange coupling constants. From these results, we confirmed the adjacent LBMO layers in this superlattice are antiferromagnetically coupled.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction · · · · · · · 1
• 1.1 Interface Reconstructions in Oxide Heterostructures · · · · · · · 1
• 1.2 Magnetic Multilayers · · · · · · · 2
• 1.3 Outline · · · · · · · 4
• 2. Theoretical Background for X-ray Resonant Magnetic Scattering · · · · · · · 5
• 2.1 Introduction · · · · · · · 5
• 2.2 Nonresonant X-ray Relfectivity · · · · · · · 6
• 2.3 Resonant X-ray Scattering Factor · · · · · · · 8
• 2.4 Resonant Magnetic X-ray Reflectivity for Smooth Interfaces · · · · · · · 11
• A. Single Interface · · · · · · · 11
• B. Reflectivity from Multilayers · · · · · · · 13
• 2.5 Resonant Magnetic X-ray Reflectivity for Rough Interfaces · · · · · · · 15
• A. Distorted-Wave Born Approximation · · · · · · · 15
• B. Reflection and Transmission Coefficients Using the Self-Consistent Distorted-Wave Born Approximation · · · · · · · 18
• C. Mpq Matrices for Rough Interfaces · · · · · · · 20
• 3. Electronic Reconstruction at the Interface of LaAlO3/SrTiO3 Superlattices · · · · · · · 22
• 3.1 Introduction · · · · · · · 22
• 3.2 Experimental Details · · · · · · · 25
• 3.3 Resonant Soft X-ray Scattering Near Ti L2,3 Edges · · · · · · · 27
• 3.4 Resonant Soft X-ray Scattering Near Ti K Edge · · · · · · · 33
• 3.5 Conclusion · · · · · · · 38
• 4. Electronic and Magnetic Reconstructions at the Interface of La2/3Ba1/3MnO3/LaNiO3 Superlattice · · · · · · · 40
• 4.1 Introduction · · · · · · · 40
• 4.2 La2/3Ba1/3MnO3/LaNiO3 Superlattices · · · · · · · 41
• 4.3 Experimental Details · · · · · · · 43
• 4.4 Interface Reconstruction of Mn Ions · · · · · · · 45
• 4.5 Interface Reconstruction of Ni Ions · · · · · · · 49
• 4.6 Conclusion · · · · · · · 52
• 5. Interlayer Exchange Coupling in Antiferromagnetically Coupled La2/3Ba1/3MnO3/LaNiO3 Superlattice · · · · · · · 53
• 5.1 Introduction · · · · · · · 53
• 5.2 Experimental Details · · · · · · · 54
• 5.3 Layer-Resolved Hysteresis Loops · · · · · · · 55
• 5.4 Determination of Interlayer Exchange Coupling Constants · · · · · · · 60
• 5.5 Conclusion · · · · · · · 62
• 6. Summary · · · · · · · 63
• Appendix A. Kramers-Kronig Relation · · · · · · · 65