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  • 망간 산화물 상 분리 실 공간 관측 연구등록일 : 2015/12/03
  • 중국과학원 허페이(合肥) 물질과학 연구원 산하 ‘강한 자기장 과학 센터’ 루칭유(陸輕铀) 연구원 연구팀과 중국과학기술대학 산하 ‘마이크로 사이즈 국가 실험실’ 우원빈(吳文彬) 연구원 연구팀은 1년간의 공동 연구를 통해 자체적으로 개발한 20T 초전도 자기체 중의 자기력 현미경을 이용하여 일종 이방성 에피 택셜 응력 조정 제어의 상 분리(phase separation) 망간 산화물(Manganese oxide) 박막 속에서의 망간 산화물 상 분리 실제 과정을 관측하여 풍부한 상 분리 행위를 발견하는데 성공하였다.

    연구팀의 관련 연구 성과는 “Evolution and Control of the Phase Competition Morphology in a Manganite Film”라는 테마의 논문으로 정리되어 세계 최고 과학전문지 네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)에 게재되었다.

    거대 자기 저항 망간 산화물 중에는 서로 다른 역할의 커플링이 존재하기 때문에 경쟁 상태에 있는 열 역학 상은 동시에 존재할 수 있게 된다. 이런 상의 실 공간(Real space)에서의 분포 및 진화 법칙에 대한 탐색은 이런 상호역할이 상 분리 과정에서 발휘하는 역할을 이해하는데 유리하다. 때문에 상 분리에 대한 실 공간 관측은 줄곧 해당 분야 이슈 중 하나로 되고 있다. 하지만 비교적 강한 자기장이 있어야만 이런 상의 상호 변환을 구동할 수 있게 되는데 이런 기기가 줄곧 부족하여 망간 산화물 상 분리가 전하의 순서적인 상태에서 재현되는 완벽한 과정은 줄곧 관측되지 못한 상황이다.

    La0.67Ca0.33MnO3체 재료는 최적 도핑의 강자성 금속에 속한다. 하지만 연구팀은 관련 연구를 통해 NdGaO3(001) 기판 상에 증착된 La0.67Ca0.33MnO3 박막은 어널링 과정을 거친 후 기판으로부터 생성된 이방성 에피택셜 응력 역할 때문에 특수한 상호 경쟁 행위를 유도할 수 있다는 점을 발견하였다. 강자성 전환 이하에서 새로운 강자성-반강자성 전환(TAFI) 및 더욱 낮은 온도의 반강자성-강자성 전환이 나타나고 있다. 운송 차원에서 보면 TAFI 이하 전기 저항은 온도 변화 곡선을 통해 거대한 히스테리시스(Hysteresis)를 나타내고 있는데 이런 상황은 TAFI 이하 온도 범위 내 샘플이 상 분리 상태에 있다는 점을 의미하고 있다.

    상 그림 속의 이런 상 분리는 전하의 순서적인 절연 상(COI)이 주도적으로 되고 있는 상 분리 구역(COI-PS)과 강자성 금속 상(FMM)이 주도적으로 되고 있는 상 분리 구역(FMM-PS)으로 분류되고 있다. 두 가지 상 분리 구역의 전기 저항-자기장(r-H) 곡선은 완전히 다른 것으로 나타났다(그림 1. b). 필드 상승 과정에서 COI가 점차 강자성 금속 상으로 전환될 때 두 가지 온도 하에서의 전기 저항은 모두 감소된다. 하지만 강자성 금속 상은 포화된 후 다시 필드 감소가 나타나며 150K 경우 COI는 다시 나타나게 되지만(그림 1. B 중의 화살표 2로 표시됨) 10K 경우에는 나타나지 않는다.

    이런 필드 감소 과정에서 COI는 기타 COI를 베이스 상태로 하는 망간 산화물 속(예를 들면 Pr1-xCaxMnO3, Nd1/2Sr1/2MnO3 및 LaPrCaMnO3)에서 다시 나타나 관찰되고 있다. 하지만 과거의 미시적 이미징 연구는 자기장이 없거나 필드 상승 부분에 집중되어 있었다. 때문에 필드가 감소될 때 COI가 다시 나타나는 미시적인 세부 부분에 대해 과학자들은 명확한 해석을 하지 못한 상황이다. 이런 과정은 중대한 의미를 보유하고 있으며 더욱 많은 관련 강자성 금속 상과 COI 상호 전환 정보를 제공할 수 있다.

    연구팀은 자체적으로 개발한 자기력 현미경을 이용하여 이런 샘플의 상 분리 행위, 특히 필드가 감소될 때 COI가 다시 나타나는 현상에 대해 시스템 이미징 형성 작업을 실행하였다. 결과, 미시적인 차원에서 이런 다시 나타나는 현상은 필드가 상승될 때의 COI융화와 완전히 다를 뿐만 아니라 형태도 더욱 다양화 되고 있는 것으로 나타났다(그림 2. 참조).

    COI 범위가 230K 수준에 도달할 때 점 형태를 나타내며 190K 수준에 도달할 때 고리 모양을 나타내며 130K 수준에 도달할 때 시트 형태를 나타내는 동시에 COI 범위의 사이즈는 온도 감소에 따라 점차 증가되고 있다. 이와 대응되는 것은 COI 상의 융화 필드는 온도 감소에 따라 증가되는데 이런 상황은 COI 상이 점차 증강되고 있음을 의미하고 있다.

    연구팀은 이번 연구를 통해 물리 이미지를 제시하였다. 비교적 높은 온도(230K) 수준에 도달할 때 COI는 비교적 취약하고 다시 나타날 때 COI 범위는 비교적 작기 때문에 점 형태를 나타내고 있다. 중간 온도(190K) 수준에 도달할 때 COI 상 변화는 더욱 강해지며 범위의 사이즈도 크게 변화한다. 이때 이방성 에피택셜 응력의 역할은 범위로 COI 하여금 일정한 결정격자 방향에 따라 성장하도록 하며 이런 상황에서 범위의 형태는 에피택셜 응력 특성을 나타내고 있는 상황이다.

    저온(130K) 수준에 도달할 때 COI 상 변화는 더욱 강해지며 주도하는 상호 역할(Jahn-Teller 범위 변화)은 에피 택셜 경쟁 과정에서 우세를 취득하게 된다. 때문에 이런 상황에서 범위의 형태는 Jahn-Teller 범위 변화 특성(규칙이 없음)을 나타내고 있다. 이런 작업의 중요성은 상이 변할 때의 상 경쟁 형태 출발이 상호 역할의 경쟁 관계를 나타내게 될 것으로 예측되는 동시에 상 경쟁의 형태에 대한 인공적인 조정 제어를 실현할 수 있다는 점이다.

    이번 연구는 국가자연과학기금위원회의 ‘기초과학 연구 프로젝트’ 비용, 국가과학기술부의 ‘중대 기초과학 연구 프로젝트’ 비용 지원을 받아 실행되었다.

    그림 1. La0.67Ca0.33MnO3/NdGaO3(001) 박막의 운송 특성

    그림 2. La0.67Ca0.33MnO3/NdGaO3(001) 박막이 다양한 온도 하에서 필드 감소로 인해 COI가 다시 나타나는 형태 및 조정 제어 상황을 표시함.
  • 키워드 : 망간 산화물, 상 분리, 실 공간 관측
  • 출처 : KISTI 미리안 글로벌동향브리핑