Effect of film thickness on structural and magnetic properties of single crystalline Ba(FeZr)O thin films on (001)SrTiO substrates

(001)SrTiO表面に結晶成長させたBa(FeZr)-単結晶薄膜の構造及び磁気的特性に対する膜厚の効果

金谷 日出和*; 松井 利之*; 平尾 法恵; 山本 博之; 馬場 祐治  ; 久米 秀樹*; 岩瀬 彰宏*

Kanatani, Hidekazu*; Matsui, Toshiyuki*; Hirao, Norie; Yamamoto, Hiroyuki; Baba, Yuji; Kume, Hideki*; Iwase, Akihiro*

パルスレーザー蒸着法により、(001)Sr基板表面に30nmから170nmの厚みを持つBa(FeZr)O(BFZO)を成長させ、その磁性と構造を調べた。X線回折及び透過型電子顕微鏡の結果から、薄膜はエピタキシャル成長しているものの、a軸方向の格子定数が100nm以上の厚みにわたって0.7%膨張していることがわかった。このBFZO薄膜は、室温において強磁性かつ誘電体的性質をもっているが、その磁性は、薄膜の厚みに依存し、100nm以上で、磁化(単位体積あたりの磁気モーメント)は、急激に減少する。X線光電子分光スペクトルの結果から、基板と膜の界面では、格子不整合によるストレスの結果、鉄の原子価は4価に近くなっているが、膜厚が増加すると4価の鉄が減少し、このため磁化が低下すると結論した。が増加すると4価の鉄が減少し、このため磁化が低下すると結論した。

The epitaxially grown Ba(FeZr)O (BFZO) films with various thicknesses ranging from 30 to 170 nm were successfully synthesized on (001)SrTiO substrates by a pulsed laser-beam deposition method. The results of X-ray diffraction and transmission electron microscopy showed that the lattice sonstant along the a-axis is expanded by 0.07 over 100 nm thickness. Although all the BFZO films showed ferromagnetic and dielectric natures, the magnetization values were found to be significantly dependent upon the film thickness. The magnetization values of the films with a thickness over 100 nm films were fairly decreased rather than those of the smaller thickness films. In accordance with the X-ray photoelectron spectroscopy measurement, the decrease in the magnetization was mainly ascribed to the decreased number of the tetravalent Fe ions, which was caused by the relaxation of he misfit strain between the film and substrates.