Ελέγχοντας τον διαχωρισμό φάσης σε λεπτά υμένια μαγγανιτών
Authors: Αντωνάκος Αναστάσιος 
Published: August 2021

Η παρούσα διδακτορική διατριβή εστιάζει στην εύρεση μεθόδων διαμόρφωσης της φάσης διάταξης φορτίου και ελέγχου του μηχανισμού διαχωρισμού φάσεων σε λεπτά υμένια μαγγανιτών R₁₋ₓCaₓMnO₃ (R = La, Pr) ανεπτυγμένων σε διαφορετικά υποστρώματα (SrTiO₃ (STO), LaAlO₃ (LAO), SrLaGa0₄ (SLGO) and SrLaAl0₄ (SLAO)). Από την συστηματική μελέτη Raman και υπερύθρου υπό ποικίλες εξωτερικές (θερμοκρασία, πίεση και μαγνητικό πεδίο) και εσωτερικές (ενδοεπιφανειακές τάσεις και χημικός εμπλουτισμός) καταστάσεις, μελετήθηκαν οι κανονικοί τρόποι ταλάντωσης και προέκυψαν χρήσιμα συμπεράσματα για την ποσότητα της διαταραχής Jahn-Teller, της φάσης διάταξης φορτίου, και του διαχωρισμού φάσεις από τάσεις ή πίεση στα λεπτά υμένια μαγγανιτών. Όλες οι παρατηρούμενες κορυφές ταυτοποιήθηκαν και τα αποτελέσματα από τις διάφορες διαταραχές συνδυάστηκαν με την σκέδαση πολωμένου φωτός και με προηγούμενες θεωρητικές και πειραματικές εργασίες σε μαγγανίτες. Η επιρροή των επιταξιακών τάσεων στα φάσματα Raman και IR μελετήθηκαν στην θερμοκρασία δωματίου για τα Pr₁₋ₓCaₓMnO₃ και La₀₋₅Ca₀₋₅MnO₃ λεπτά υμένια για ποικίλα πάχη υμενίων εναποθετημένων πάνω σε διαφορετικά υποστρώματα που προκαλούν εκτατικές και συμπιεστικές τάσεις. Η σάρωση κατά το μήκος της περιοχής διατομής του λεπτού υμενίου υπέδειξε πως ο Ag(2) τρόπος ταλάντωσης, ο οποίος σχετίζεται με την περιστροφή των οκταέδρων ΜnO₆, είναι πολύ ευαίσθητος στις τοπικές αλλαγές και διαταραχές του πλέγματος που προκαλούνται από τις ενδοεπιφανειακές τάσεις και πως η συχνότητά του μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως μετρητής των τάσεων. Το διάγραμμα φάσης χαμηλών θερμοκρασιών των υμενίων Pr₁₋ₓCaₓMnO₃ μελετήθηκε συστηματικά ως συνάρτηση του χημικού εμπλουτισμού και των ενδοεπιφανειακών τάσεων. Παρατηρήθηκε πως τόσο ο χημικός εμπλουτισμός όσο και οι τάσεις αλλάζουν την διάταξη των φορτίων, όπως ανιχνεύεται από τους Jahn-Teller τρόπους ταλάντωσης, και αλλάζουν τις ηλεκτρικές ιδιότητες του υλικού. Η διαταραχή της δομής, όπως μετρήθηκε από την συχνότητα του Ag(2) τρόπου ταλάντωσης, ο οποίος είναι «μαλακός» τρόπος ταλάντωσης και συζεύει με τις δομικές μεταβάσεις και τις μεταβάσεις φάσεων. Τα υλικά μελετήθηκαν υπό υψηλές πιέσεις και υπό μαγνητικό πεδίο για ποικίλα επίπεδα εμπλουτισμού, με σκοπό να προκληθεί καταστροφή της διάταξης φορτίου. Από τις αναλύσεις των φασμάτων και την συνύπαρξη κορυφών χαρακτηριστικών για την μεταλλική φάση καθώς και άλλων οι οποίες αποδίδονται στις διαταραχές Jahn-Teller (προσδιορίζουν μονωτική συμπεριφορά), συμπεραίνεται πως στα υλικά λαμβάνει χώρα διαχωρισμός φάσης σε μεταλλικές και μονωτικές περιοχές διατεταγμένων φορτίων. Η επιρροή των ενδοεπιφανειακών τάσεων στα οπτικά φάσματα χαμηλών θερμοκρασιών των La₀₋₅Ca₀₋₅MnO₃ λεπτών υμενίων μελετήθηκε επισταμένως. Αποδείχθηκε ότι τα διαφορετικά υποστρώματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως εργαλείο για να ληφθούν λεπτά υμένια με διευθετήσιμες ηλεκτρονικές και μαγνητικές ιδιότητες, ακόμα και αν οι χημικές συνθέσεις και τα πάχη των υμενίων παραμένουν αμετάβλητα. Οι διαφορές ανάμεσα στα φάσματα Raman του συμπαγούς υλικού και των υπό τάση υμενίων αναλύθηκαν με όρους ενός σεναρίου διαχωρισμού φάσης. Η εμφάνιση νέων κορυφών στις ευρείες ζώνες των φασμάτων ανακλαστικότητας IR συσχετίστηκε με τα αποτελέσματα μαγνητικών και ηλεκτρικών μετρήσεων και από την ερμηνεία των πειραματικών δεδομένων προτείνετε ότι ο διαχωρισμός φάσης μεταξύ συνυπάρχουσων φάσεων φορτίου/σπιν/διαταραχής είναι εγγενής ιδιότητα των R₁₋ₓCaₓMnO₃ μαγγανιτών. Αναγνωρίστηκαν διαφορετικές φάσεις, συγκεκριμένα η μεταλλική ή η μονωτική, μικρά πολαρόνια, και δύο ή περισσότερες φάσεις διάταξης φορτίου («σκακιέρας» και «λωρίδων», checkerboard και stripes). Οι τάσεις στο υμένιο LCMO/STO(100) καταστρέφουν την μαγνητική φάση και η φάση διάταξης φορτίου είναι πιο ισχυρή από ότι στο συμπαγές υλικό, οδηγώντας σε μια μονωτική φάση διατεταγμένων φορτίων και σπιν στις χαμηλές θερμοκρασίες. Αντίθετα, οι σιδηρομαγνητικές νησίδες μεγαλώνουν και αρχίζουν να συγχωνεύονται μέχρι το σημείο διήθησης για τα υμένια LCMO/SLGO, LCMO/STO(111) και LCMO/SLAO, όπου το σύστημα συμπεριφέρεται ως μέταλλο λόγω των τάσεων, σε αντίθεση με το συμπαγές. Τα ευρήματα της παρούσας διδακτορικής διατριβής παρέχουν σημαντικές πληροφορίες ώστε να συζητηθεί ένα περιεκτικό θεωρητικό μοντέλο, προκειμένου να γίνει κατανοητή η σύνθετη φυσική των ορθορομβικών λεπτών υμενίων μαγγανιτών. Παράλληλα, για τις τεχνολογικές εφαρμογές δείχνουν πως με κατάλληλη επιλογή του πάχους των υμενίων, κατάλληλου υποστρώματος και προσανατολισμού μπορούν να ελεγχθούν οι ιδιότητες τους. Εν γένει, τα αποτελέσματα συνεισφέρουν στην κατανόηση του μηχανισμού διαχωρισμού φάσης, και πως μπορεί αυτός να ελεγχθεί, ανοίγοντας τον δρόμο για τη δημιουργία λειτουργικών υλικών με επιλεγμένες υποφάσεις για τεχνολογικές εφαρμογές.