2015: Обнаружен переход металл-диэлектрик в пленке кислородно-дефицитного перовскита при 620 К

Физиками МГУ (В.н.с. Марина А. Андреева, кафедра физики твердого тела) совместно с учеными из университета Киото, Института технологии в Нагойя и синхротрона SPring-8 в пленках кислородно-дефицитных перовскитов обнаружен переход металл-диэлектрик и реакция перераспределения заряда для атомов железа методом синхротронной ядерно-резонансной рефлектометрии.

Пленки кислород-дефицитного перовскита SrFeO_2.8 на монокристаллической подложке (001) SrTiO₃ (изготовлены методом импульсного лазерного напыления с последующим окислением на воздухе при 773К) исследовались методами рентгеновской дифракции на 4х-кружном дифрактометре, имеющем высокотемпературную камеру, и конверсионной мëссбауэровской спектроскопии при комнатной температуре. Измерялась проводимость двухконтактным методом, а также проводились исследования методом ядерно-резонансной рефлектометрии.

Измерения ядерно-резонансного рассеяния выполнялись в геометрии полного отражения на линии BL09XU японского синхротрона SPring-8 при разных температурах. Главной целью исследования было определение изомерных сдвигов для мëссбауэровского перехода при различных температурах, которые однозначно характеризуют зарядовое состояние атомов ⁵⁷Fe в образцах. Теоретический анализ временных спектров выполнялся по программе ‘‘REFTIM’’, разработанной М.А. Андреевой (Hyperfine Interact. 185, 17–21 (2008)).

В результате исследований был обнаружен переход металл-диэлектрик в пленках SrFeO_2.8 при температуре 620K. Эта температура намного выше температуры соответствующего перехода в объемном материале SrFeO^2.8 (70K). Существенное увеличение температуры перехода (на 550K) объясняется напряжениями в пленке SrFeO_2.8, вызванными влиянием SrTiO₃ подложки. Обнаруженный переход при 620K вызван реакцией перераспределения заряда Fe^3.66+, обусловленной упорядочением кислородных вакансий, с образованием ионов Fe⁴⁺ и Fe³⁺. Кислородная координация переходных металлов является ключевым моментом для реализации функциональных свойств окислов переходных металлов, поскольку гибридизация d-орбиталей переходных металлов с p-орбиталями кислородных атомов определяет корреляцию между зарядами, спинами и кристаллической решеткой.

Результаты данной работы опубликованы в статье: K. Hirai, D. Kan, N. Ichikawa, K. Mibu, Y. Yoda, M. Andreeva, Y. Shimakawa, “Strain-Induced Significant Increase in Metal-Insulator Transition Temperature in Oxygen-Deficient Fe Oxide Epitaxial Thin Films”, Scientific Reports 5, 7894 (2015).