Transport of charge carriers in ultrathin films of manganese oxides

Abstract

The objective of this dissertation is to investigate lanthanum manganites, which exhibit colossal negative magnetoresistance and phase transitions from the paramagnetic state to the ferromagnetic state. The magnetoresistance and its ani-zotriopy of thin epitaxial manganite films at low (up to  0.5 T) magnetic fields, as well as effects induced by strong pulsed magnetic and electric fields were in-vestigated. It was demonstrated how it can be used in the development of magne-tic field sensors, short electric pulse forming devices and amplitude modulators. It was found that in the case of ultra-thin La-Sr-MnO3 films, the sign and value of the magnetoresistance anisotropy at low magnetic fields depends on the thickness of the films. An explanation of these results was proposed using the mean field approach and taking into consideration that the structure of the films changes with its thickness. A reversible thermoelectrical switching effect was discovered and investigated. A new method for nanosecond duration electrical pulses amplitude modulation by an external magnetic field using La0.87Sr0.17MnO3 films was suggested and experimentally verified. This dissertation consists of the abstracts in Lithuanian and English, intro-duction, six chapters, the main results and conclusions and list of literature. The introduction contains topicality and problem, the aim of the work, tasks, scientific novelty, practical value, approval of the results, statement to be de-fended and dissertation structure. The first chapter is a review of literature. The main properties of the manga-nites and investigations performed on thin La-Sr-MnO3 films using high magne-tic fields and currents are presented in this chapter. The second chapter presents a description of the experimental setups used in these investigations and of the specimen preparation technology. In third chapter, investigations of the magnetoresistance and its anisotropy of nm thicks La0.87Sr0.17MnO3 films in weak magnetic field is described. The possi-bility of using these phenomenon in the design of magnetic field direction sen-sors is also discussed in this chapter. The fourth chapter is dedicated to a study of the effects caused by strong ns duration electrical pulse action on thin epitaxial manganite films. In fifth and sixth chapters, fast electrical switching in thin manganite films and amplitude modulation of ns duration electrical pulses by external magnetic field is presen-ted. The main results of this dissertation are presented in two articles published in journals of Thomson ISI Web of Science list, one in conference proceedings, quoted in Thomson ISI Proceedings database, seven reports presented at interna-tional conferences and in four proceedings of conferences in Lithuania.

Disertacijoje nagrinėjami lantano manganitai, pasižymintys faziniu virsmu iš paramagnetinės į feromagnetinę būseną bei milžiniškos neigiamos magnetovar-žos efektu. Tiriami magnetovaržos ir jos anizotropijos efektai silpnuose (iki  0,5 T) magnetiniuose laukuose bei stiprių impulsinių srovių ir magnetinių laukų sukelti efektai plonuose epitaksiniuose manganitų sluoksniuose. Pateikiami pasiūlymai tyrimo rezultatus panaudoti kuriant magnetinio lauko jutiklius, spar-čiųjų elektrinių impulsų formuotuvus bei amplitudės moduliatorius. Tiriant sil-pnų magnetinių laukų poveikį ultraplonųjų La-Sr-MnO3 sluoksnių elektriniam laidumui, buvo nustatyta, kad magnetovaržos anizotropijos ženklas ir vertė šiuo-se laukuose priklauso nuo sluoksnio storio. Pateiktas modelis, paaiškinantis eks-perimentinius rezultatus, paremtas vidutinio lauko artiniu ir įskaitantis sluoksnio struktūros kitimą kintant jo storiui. Aptiktas ir ištirtas grįžtamasis termoelektrinis nestabilumas, išaiškintos šio reiškinio atsiradimo priežastys. Pasiūlytas ir ekspe-rimentiškai realizuotas naujas ns trukmės elektrinių impulsų amplitudės modulia-vimo išoriniu magnetiniu lauku būdas, naudojant epitaksinius La0,87Sr0,17MnO3 sluoksnius. Disertaciją sudaro reziumė lietuvių ir anglų kalbomis, įvadas, šeši skyriai, pagrindiniai rezultatai ir išvados, literatūros sąrašas, publikacijų disertacijos tema sąrašas. Įvadiniame skyriuje nagrinėjamas problemos aktualumas, formuluojamas darbo tikslas bei uždaviniai, aprašomas mokslinis darbo naujumas, pristatomi autoriaus pranešimai ir publikacijos, pateikta disertacijos struktūra. Pirmasis skyrius skirtas literatūros apžvalgai. Jame pateikta literatūros anali-zė apie pagrindines manganitų savybes ir atliktus tyrimus, plonuosius La-Sr-MnO3 sluoksnius veikiant magnetiniu lauku bei stipria elektros srove. Antrajame skyriuje pateikiami eksperimentinės įrangos ir bandinių gamybos technologijos aprašymai. Trečiajame skyriuje aprašomi nanometrų storio La0,87Sr0,17MnO3 sluoksnių magnetovaržos bei jos anizotropijos tyrimai silpname magnetiniame lauke. Ap-tariami būdai ir galimybės šį reiškinį panaudoti kuriant magnetinio lauko krypties matuoklius. Ketvirtasis skyrius skirtas reiškiniams, atsirandantiems paveikus manganitų sluoksnius stipriu impulsiniu nanosekundžių (ns) trukmės elektriniu lauku. Penk-tasis ir šeštasis skyriai skirti stiprios impulsinės srovės nulemto termoelektrinio nestabilumo ir perjungimo reiškinio manganitų sluoksniuose tyrimui bei nanose-kundinių impulsų amplitudės moduliavimui, naudojant La-Sr-MnO3 sluoksnių magnetovaržą. Disertacijos tema paskelbti du straipsniai žurnaluose, įtrauktuose į Thomson ISI Web of Science sąrašą, vienas – konferencijų medžiagoje, referuotoje Thom-son ISI Proceedings duomenų bazėje, keturi – respublikinių konferencijų me-džiagose, perskaityti 7 pranešimai Lietuvos bei užsienio konferencijose.