(The) role of crystallographic orientation effect in epitaxial SrRuO3 ferromagnetic thin films

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Transition metal oxide thin films show versatile electrical, magnetic, and thermal properties which can be tailored by deliberately introducing structural distortion and macroscopic grain boundaries via controlling crystallographic orientation and long-ranger ordering of the epitaxial thin films. In this study, we first focus the role of the crystallographic orientation in epitaxial film growth. The growth of epitaxial transition metal oxide thin films depends on various parameters including the substrate temperature, oxygen partial pressure, kinetics of incoming adatoms, Gibbs free energy, and surface energy. Naturally, the change in the crystallographic surface orientation with a distinctive surface energy also influences the growth rate and growth mode of the epitaxial thin films substantially. The difference in the surface energy could explain the observed change in the growth kinetics, based on the modified classical nucleation theory. A combinatorial method using a polycrystalline epitaxial thin film was also employed to generalize our understanding of the crystallographic surface-orientation-dependent thin film growth. Secondly, we focus on the modification of the electrical, magnetic, and thermal transport properties by fabricating single- and polycrystalline epitaxial SrRuO3 thin films using pulsed laser epitaxy. Using epitaxial stabilization technique with atomically flat polycrystalline SrTiO3 substrate, epitaxial polycrystalline SrRuO3 thin film with crystalline quality of each grain comparable to that of single-crystalline counterpart is realized. In particular, alleviated compressive strain near the grain boundaries due to coalescence is evidenced structurally, which induced enhancement of ferromagnetic ordering of the polycrystalline epitaxial thin film. The structural variations associated with the grain boundaries further reduce the thermal conductivity without deteriorating the electronic transport, and lead to enhanced thermoelectric efficiency in the epitaxial polycrystalline thin films, compared with their single-crystalline counterpart.
Furthermore, SrRuO3 has non-Fermi liquid to Fermi liquid phase transition below ferromagnetic transition temperature in electrical transport system. The crystallographic orientation induces different distortion in the epitaxial SrRuO3 films, resulting modification in Ru-O-Ru bonding, changing dimensionality and interaction of the spin in SrRuO3. The different spin interaction effects the contribution of magnon below ferromagnetic transition temperature. Result in the variation of electronmagnon interaction dominancy in non-Fermi liquid phase. With magnetization measurement, we expected that the spin dimensionality and interaction in (100), (110), and (111) oriented SrRuO3 film are influenced by crystallographic orientation. With electrical transport measurements, we studied relationship between spin characteristics and non-Fermi liquid phase in each orientation with ρ(T) ~ Tn temperature dependent resistivity and Fermi to non-Fermi liquid phase transition process precisely.

국문 초록 (Abstract)

전이 금속 산화물 박막은 결정학적 방향 제어와 박막의 장기 정렬을 통해 구조 왜곡과 거시적 결정 낟알의 경계를 의도적으로 도입하여 맞춤 제작할 수 있는 다양한 전기, 자기 및 열 특성을 보여준다. 이 연구에서는 우선 에피박막 성장에서의 결정론적 방향의 역할에 초점을 맞춘다. 전이 금속 산화물 박막의 성장은 온도, 산소 부분 압력, 유입되는 흡착원자의 운동성, 깁스 자유 에너지 및 표면 에너지 등 다양한 매개변수에 따라 달라진다. 당연히 결정론적 표면 방향에 따른 표면 에너지 변화도 에피 박막의 성장 속도와 성장 모드에 크게 영향을 미친다. 표면 에너지의 차이는 수정된 고전 결정 핵 생성 이론에 근거하여 결정성장에서 관찰된 변화를 설명할 수 있다. 결정표면 방향성에 따른 박막 성장에 대한 우리의 이해를 일반화하기 위해 다결정 박막을 사용한 방법도 이용되었다. 둘째, 우리는 펄스 레이저 박막성장을 이용하여 단결정 및 다결정성 SrRuO3 박막을 제작하여 전기, 자기 및 열전달 특성을 연구하는 데 초점을 맞췄다. 원자적으로 평평한 다결정 SrTiO3 기판을 이용한 안정화 증착 기법을 사용하여, 단일 결정체만큼 결정질이 좋게 다결정 SrRuO3 박막을 제작하였다. 특히, 결정 낟알 간의 유착으로 인한 결정 낟알경계 부근의 압축력 완화는 구조적으로 입증되어 다결정성 박막의 강자성 특성의 향상을 유도하였다. 또한, 결정 낟알 경계와 관련된 구조적 변화는 전자 전달을 악화시키지 않고 열 전도성을 더욱 감소시키고, 단일 결정체 상대적으로 비교했을 때 다결정체 박막의 열전 효율을 향상시킬 수 있음을 알 수 있었다.
더 나아가서, SrRuO3는 강자성 전환 온도보다 낮은 온도에서 페르미 액상으로 부터 비-페르미 액체 상태로 변하는 전기적 특성을 가지고 있다. 결정학적 방향에 따른 에피텍셜한 박막 성장은 SrRuO3 필름의 다른 왜곡을 유도하여, Ru-O-Ru 본딩의 변화 및 SrRuO3 스핀의 상호작용이 변화된다. 변화된 스핀 상호작용은 강자성 전환 온도보다 낮은 영역에서의 마그논의 기여도에 영향을 미친다. 결과적으로, 비-페르미 액체 상태에서 전자-마그논 상호작용의 기여도가 변화하게 된다. 그리고 자화 측정을 통해 (100), (110), (111) 방향의 SrRuO3 박막의 스핀 차원성과 상호작용이 결정론적 방향에 의해 영향을 받을 것을 알 수 있었다. 이러한 자성적 특성은 전자 운송 과정에 영향을 미치게 된다. 온도에 비저항 측정을 통해 ρ(T) ~ Tn 지수를 이용한 상 도표를 만들었고, 이를 통해 스핀의 특성과 페르미에서 비-페르미 액체 상태의 상태 변환 과정의 연관성을 정밀하게 연구 할 수 있었다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1 Introduction 1
• 1.1 Introduction 1
• 1.2 Crystal characteristic and structure 4
• 1.1.1 SrTiO3 4
• 1.1.2 SrRuO3 4
• 1.1.3 Crystallography 6
• 1.3 Epitaxial film growth 8
• 1.3.1 Epitaxy 8
• 1.3.2 Nucleation 8
• 1.3.4 Thin film growth process and modes 11
• 1.4 Physical properties 12
• 1.4.1 Ferromagnetism 12
• 1.4.2 Thermoelectric 13
• 1.4.3 Fermi and non-Fermi liquid 13
• 1.5 References 15
• Chapter 2 Experimental methods 17
• 2.1 Epitaxial thin film growth 17
• 2.1.1 Atomically flat substrates 17
• 2.1.2 Pulse Laser Deposition (PLD) 18
• 2.2 Surface characterization 19
• 2.2.1 Atomic Force Microscopy (AFM) 19
• 2.2.2 Kelvin Probe Microscopy (KPFM 21
• 2.3 Crystal structure characterization 21
• 2.3.1 X-ray Diffraction (XRD) 21
• 2.3.2 Electron Back Scattering Diffraction (EBSD) 22
• 2.4 References 24
• Chapter 3 Growth characterization 25
• 3.1 Introduction 25
• 3.2 Experiments 26
• 3.3.1 Epitaxial thin film growth and structural characterization 26
• 3.3.2 Surface characterization using atomic force microscopy 27
• 3.3.3 Surface energy calculation 27
• 3.3 Results and discussions 28
• 3.3.1 Crystallographic surface-orientation-dependent growth characterization 28
• 3.3.2 Nucleation barrier energy 36
• 3.3.3 Combinatorial investigation using polycrystalline epitaxial SrRuO3 thin films 39
• 3.4 Conclusions 41
• 3.5 References 42
• Chapter 4 Magnetic and thermoelectric properties 46
• 4.1 Introduction 46
• 4.2 Experiments 49
• 4.2.1 Epitaxial thin film growth and structural characterization 49
• 4.2.2 Physical properties measurements 49
• 4.2.3 Thermoelectric properties measurements 50
• 4.3 Results and discussions 50
• 4.3.1 Epitaxial single- and polycrystalline SrRuO3 thin films 50
• 4.3.2 Electrical and magnetic properties of single- and polycrystalline SrRuO3 thin films 53
• 4.3.3 Thermoelectric properties of single- and polycrystalline SrRuO3 thin films 60
• 4.4 Conclusions 63
• 4.5 References 64
• Chapter 5 Non-Fermi liquid behaviors 68
• 5.1 Introduction 68
• 5.2 Experiments 69
• 5.2.1 Crystallographic orientation dependent epitaxial SrRuO3 thin film growth 69
• 5.2.2 Magnetic moment and resistivity measurements 70
• 5.3 Results and discussions 70
• 5.3.1 Spin characteristics comparison in (100), (110), and (111) oriented SRO via temperature dependent magnetization 70
• 5.3.2 Crystallographic orientation dependent non-Fermi liquid phase via electrical transport system 72
• 5.3.3 Confirmation of magnon contribution in non-Fermi liquid phase 76
• 5.4 Conclusions 76
• 5.5 References 78
• Chapter 6 Conclusion 80
• 국문초록 82