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Effect of oxygen partial pressure on the structural and magnetic properties of Ba(Fe$$_{0.5}$$Mn$$_{0.5}$$)O$$_{3}$$-d epitaxial thin films

エピタキシャル成長で作成したBa(Fe$$_{0.5}$$Mn$$_{0.5}$$)O$$_{3}$$-d薄膜の構造及び磁気的性質に対する試料作成中の酸素分圧の効果

勝部 浩次*; 松井 利之*; 山本 博之; 馬場 祐治  ; 平尾 法恵; 岩瀬 彰宏*

Katsube, Koji*; Matsui, Toshiyuki*; Yamamoto, Hiroyuki; Baba, Yuji; Hirao, Norie; Iwase, Akihiro*

パルスレーザーを用いた蒸着法により、さまざまな酸素組成を持つBa(Fe$$_{0.5}$$Mn$$_{0.5}$$)O$$_{3-delta}$$単結晶をチタン酸ストロンチウム(001)基板表面に作成し、その構造と磁性を調べた。蒸着時の酸素分圧を上げることにより、薄膜の格子定数は小さくなることがわかった。この結果は、鉄とマンガンの原子半径が、原子価状態と密接に関係しており、系統的に格子定数が変化したことを示唆している。さらに、酸素分圧は薄膜の磁気的性質にも大きく影響することがわかった。すなわち、酸素分圧の増加に伴い、酸素欠損量が減少し、試料の飽和磁化は増加する。300Kにおける飽和磁化の最大値は43emu/ccであった。X線光電子分光スペクトルを測定した結果、Fe$$^{3+}$$(3d$$^{5}$$)及びMn$$^{4+}$$(3d$$^{3}$$)の量は、酸素欠損量の減少とともに増加することがわかった。その結果、180度の結合角度を持つFe$$^{3+}$$(3d$$^{5}$$)-O$$^{2-}$$-Mn$$^{4+}$$(3d$$^{3}$$)一次元鎖上の強磁性超交換相互作用が増加し、これにより強磁性を担うスピン整列が起こったと考えられる。

Ba(Fe$$_{0.5}$$Mn$$_{0.5}$$)O$$_{3-delta}$$ single crystalline films with various amounts of the oxygen deficiencies on SrTiO$$_{3}$$(001) substrates have been synthesized by a pulsed laser deposition method. The lattice constant significantly decreased with an increase in the oxygen partial pressure during the deposition. This suggests that the radius of the Fe and Mn ions systematically changed. In addition, the oxygen partial pressure has a considerable influence on the magnetic properties of the films: the saturation magnetization increased with increasing oxygen partial pressure. The maximum saturation magnetization of 43 emu/cc for the films was obtained at 300 K. The results of the X-ray photoelectron spectroscopic analysis revealed that the relative amount of the Fe$$^{3+}$$(3d$$^{5}$$) and Mn$$^{4+}$$ (3d$$^{3}$$) ions increased with decreasing amount of the oxygen deficiency. This may increase the amount of the Fe$$^{3+}$$(3d$$^{5}$$)-O$$^{2-}$$-Mn$$^{4+}$$(3d$$^{3}$$) ferromagnetic superexchange coupling, which led to the ferromagnetic spin alignment in the samples.

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分野:Physics, Applied

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