Interface and doping induced phenomena in transition metal oxide heterostructures

Mgr. Michal Kiaba, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Tato disertační práce se zabývá magnetickými a strukturními vlastnostmi tenkých vrstev oxidu kobaltu a supermřížek složených z LaFeO3 a SrTiO3. K výrobě heterostruktur byla použita pulzní laserová depozice. Tenké vrstvy LaCoO3 o různých tloušťkách byly vytvořeny za účelem studia přechodu izolant-kov pomocí pump-probe elipsometrie. Následuje studium depozice tenkých vrstev La1−xSrxCoO3−δ a porovnání strukturních a magnetických vlastností vrstev deponovaných v kyslíku a ozonu pro několik různých poměrů lanthanu a stroncia. V závěrečné části věnované oxidům kobaltu uvádíme, jak lze zabránit úniku kyslíku z vrstev La0.3Sr0.7CoO3−δ pomocí 3 nm tenké vrstvy LaAlO3. Ukazujeme, že kyslíkové vakance vznikají v nezakryté vrstvě již při pokojové teplotě, přičemž u zakryté vrstvy ani zvýšení teploty nevyvolá zásadní změnu vlastností tenkých vrstev. Druhá část práce představuje studium supermřížek, v nichž jedna, dvě nebo tři monovrstvy LaFeO3 jsou odděleny pěti vrstvami SrTiO3. Supermřížky jsou nejprve charakterizovány pomocí rentgenové difrakce a mapování reciprokého prostoru a také mikroskopie atomárních sil, doplněné transmisní elektronovou mikroskopií s vysokým rozlišením. Nakonec uvádíme nejdůležitější část disertační práce, a to studium magnetických vlastností supermřížek pomocí mionové spinové rotační spektroskopie. Měření magnetických vlastností ukazují, že supermřížky, kde jsou tři nebo dvě monovrstvy LaFeO3 oddělené pěti monovrstvami SrTiO3, jsou antiferomagneticky uspořádané s Néelovou teplotou 175 K, respektive 35 K. Naproti tomu supermřížka s pouze jednou monovrstvou LaFeO3 vykazuje dynamické chování magnetických momentů až do nejnižší měřené teploty 5 K. Dynamický charakter se výrazně liší od paramagnetického stavu v supermřížce se třemi a dvěma monovrstvami LaFeO3 a rychlost fluktuace magnetických momentů se zpomaluje s klesající teplotou. Supermřížky se tedy chovjí podle Mermin-Wagnerova teorému, který předpovídá, že magnetické uspořádání na dlouhé vzdálenosti ve dvou rozměrech je potlačeno v důsledku dlouhovlnných fluktuací.

Abstract:

The thesis deals with the magnetic and structural properties of cobalt oxide thin films and superlattices composed of LaFeO3 and SrTiO3. We used pulsed laser deposition to fabricate these heterostructures. We present a structural characterization of LaCoO3 thin films of different thicknesses used to study the insulator-metal transition using pump-probe ellipsometry. This part is followed by a study comparing the structural and magnetic properties of La1−xSrxCoO3−δ films grown in oxygen with films grown in ozone for several different ratios of lanthanum and strontium. In the final section on cobalt oxides, we present how we can prevent oxygen leakage from La0.3Sr0.7CoO3−δ films by using a 3 nm thin LaAlO3 capping layer. We show that a significant concentration of oxygen vacancies is formed in the uncapped layer already at room temperature, while capping the layer leads to a stabilization of the oxygen content even at elevated temperatures. The second part of the thesis presents a study of superlattices where one, two, or three monolayers of LaFeO3 are separated by five layers of SrTiO3 and repeated 10 times. The superlattices are first characterized by X-ray diffraction and reciprocal space mapping as well as by atomic force microscopy complemented by high-resolution transmission electron microscopy imaging. In the last section, we present the most important part of the thesis, which is the study of the magnetic properties of the superlattices using low-energy muon spin rotation spectroscopy. The measurement of the magnetic properties shows that the superlattices with three or two monolayers of LaFeO3 separated by five monolayers of SrTiO3 are antiferromagnetically ordered with a Néel temperature of 175 K and 35 K, respectively. In contrast, the superlattice with only one layer of LaFeO3 shows a dynamic behavior of magnetic moments down to the lowest measured temperature of 5 K. The dynamic character substantially differs from the paramagnetic state in the superlattices with three or two layers of LaFeO3. The fluctuation rate of the magnetic moments is smaller and slows down with decreasing temperature. The superlattice follows the behavior described by the Mermin-Wagner theorem, which predicts that the long-range magnetic order in two dimensions is suppressed by long-wavelength fluctuations.

Keywords

pulsed laser deposition, perovskite oxides, superlattice, muon spin spectroscopy, cobalt oxides, iron oxides, pulsní laserová depozice, perovskity, spin mionová spektroskopie, oxidy kobaltu, oxidy železa

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 10. 5. 2024

Thesis defence

• Date of defence: 27. 6. 2024
• Supervisor: doc. Mgr. Adam Dubroka, Ph.D.
• Reader: prof. Christian Bernhard, Ing. Jiří Hlinka, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics / Condensed Matter Physics