JPWO2013140677A1 - Manganese oxide thin film and oxide laminate - Google Patents

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Abstract

室温でモット転移により相転移しスイッチング機能を実現する薄膜または積層体を提供する。本発明のある態様においては、(110)面方位または(210)面方位の基板1の面の上に形成されたペロフスカイト型マンガン酸化物薄膜2が提供される。該マンガン酸化物薄膜は、組成式Ln1−xAexMnO3(ただし、Lnはランタノイドから選択される少なくとも1種の3価の希土類元素であり、AeはCa、Sr、Baからなる群から選択される少なくとも1種のアルカリ土類元素)の組成を有しており、該組成式において、0<x≰1/18である。Provided is a thin film or a laminate that realizes a switching function by phase transition by Mott transition at room temperature. In one embodiment of the present invention, there is provided a perovskite-type manganese oxide thin film 2 formed on the surface of a substrate 1 having a (110) plane orientation or a (210) plane orientation. The manganese oxide thin film has a composition formula Ln1-xAexMnO3 (where Ln is at least one trivalent rare earth element selected from lanthanoids, and Ae is at least one selected from the group consisting of Ca, Sr, and Ba). A composition of a certain alkaline earth element), and in the composition formula, 0 <x≰1 / 18.

Description

本発明はマンガン酸化物薄膜および酸化物積層体に関する。さらに詳細には本発明は、室温でモット転移し、電気的、磁気的、または光学的性質がスイッチングするペロフスカイト型マンガン酸化物薄膜および酸化物積層体に関する。   The present invention relates to a manganese oxide thin film and an oxide laminate. More particularly, the present invention relates to a perovskite-type manganese oxide thin film and an oxide laminate that undergo Mott transition at room temperature and switch electrical, magnetic, or optical properties.

近年、半導体デバイスの性能向上指針であったスケーリング則もいよいよ限界に直面することが懸念されている。それに伴い、これまで長きにわたり使用されてきたシリコン以外の、新規な動作原理を可能とする材料が注目されている。例えば、スピンの自由度を取り入れたスピントロニクスの分野において、DRAM(ダイナミックランダムアクセスメモリー)並みの高速動作が可能な高密度不揮発性メモリーを目指した開発が進められている。   In recent years, there is a concern that the scaling law, which has been a guideline for improving the performance of semiconductor devices, will eventually face limitations. Accordingly, materials that enable a new principle of operation other than silicon that has been used for a long time have attracted attention. For example, in the field of spintronics that incorporates the degree of freedom of spin, development aimed at high-density nonvolatile memory capable of high-speed operation similar to DRAM (Dynamic Random Access Memory) is underway.

一方、半導体デバイス設計の基礎を支えるバンド理論を適用することができない強相関電子系材料の研究も進展してきた。その中で、電子系の相転移に起因する巨大かつ高速な物性変化を示す物質が見出されている。強相関電子系材料においては、スピンのみならず電子軌道の自由度までもが電子系の相状態に関与することにより、スピン、電荷、軌道が形成する様々な秩序からなる多彩な電子相が発現する。強相関電子系材料の代表例がペロフスカイト型マンガン酸化物であり、その電子系においては、一次相転移によりマンガン(Mn)の3d電子が整列する電荷整列相(charge-ordered phase)や、電子軌道が整列する軌道整列相(orbital-ordered phase)が発現することが知られている。   On the other hand, research on strongly correlated electron materials that cannot apply the band theory that supports the basics of semiconductor device design has also progressed. Among them, a substance showing a huge and high-speed property change due to a phase transition of an electronic system has been found. In a strongly correlated electron system material, not only spin but also the degree of freedom of electron orbital is involved in the phase state of the electron system, and various electronic phases consisting of various orders formed by spin, charge, and orbital appear. To do. A representative example of strongly correlated electron materials is perovskite-type manganese oxide, in which the charge-ordered phase in which 3d electrons of manganese (Mn) are aligned by the first-order phase transition or the electron orbital. It is known that an orbital-ordered phase that aligns

電荷整列相や軌道整列相ではキャリアが局在するため電気抵抗は高くなり、電子相は絶縁体相となる。また、この電子相の磁気的性質は、超交換相互作用および二重交換相互作用による反強磁性相である。なお、電荷整列相や軌道整列相の電子状態は半導体的とみるべき場合も多い。電荷整列相や軌道整列相では、キャリアが局在しているものの、電気抵抗はいわゆるバンド絶縁体よりも低くなるためである。しかしここでは慣例により、電荷整列相や軌道整列相の電子相を絶縁体相と表現する。これとは逆に、電気抵抗が低く金属的振舞いを示す場合にはスピンが揃うため電子相は強磁性相を示す。金属相の定義も様々あるが、ここでは、「抵抗率の温度微係数の符号が正のもの」を金属相と表現する。この表現に対応させれば、上記の絶縁体相は、「抵抗率の温度微係数の符号が負のもの」と再定義される。   In the charge alignment phase or the orbital alignment phase, carriers are localized, so that the electric resistance is high, and the electronic phase is an insulator phase. Further, the magnetic property of this electronic phase is an antiferromagnetic phase due to superexchange interaction and double exchange interaction. In many cases, the electronic state of the charge alignment phase or the orbital alignment phase should be regarded as a semiconductor. This is because, in the charge alignment phase or the orbital alignment phase, although the carriers are localized, the electric resistance is lower than that of a so-called band insulator. However, by convention, the electronic phase of the charge alignment phase or the orbital alignment phase is expressed as an insulator phase. On the contrary, when the electric resistance is low and the metal behavior is exhibited, the spin is aligned and the electronic phase is a ferromagnetic phase. There are various definitions of the metal phase, but here, “the sign of the temperature differential coefficient of resistivity is positive” is expressed as the metal phase. Corresponding to this expression, the insulator phase is redefined as “the sign of the temperature differential coefficient of resistivity is negative”.

上述した電荷整列相、軌道整列相に加え、電荷整列と軌道整列との両方がともに成立している相(電荷・軌道整列相; charge and orbital ordered phase)といった電子相のうちいずれかのものをとりうる物質では、その物質の単結晶バルク材料において種々のスイッチング機能を発現させる現象が観察されることが開示されている(特許文献1〜3)。これらの現象は、典型的には、電気抵抗の巨大な変化や、反強磁性相―強磁性相の間の転移として観察される。例えば、磁場印加による何桁もの抵抗変化は、超巨大磁気抵抗効果としてよく知られている。   In addition to the charge alignment phase and orbital alignment phase described above, any one of electronic phases such as a phase in which both charge alignment and orbital alignment are established (charge and orbital ordered phase) It has been disclosed that a phenomenon in which various switching functions are expressed in a single crystal bulk material of the substance is observed in the possible substances (Patent Documents 1 to 3). These phenomena are typically observed as a large change in electrical resistance or a transition between antiferromagnetic and ferromagnetic phases. For example, resistance changes of several orders of magnitude due to application of a magnetic field are well known as the giant magnetoresistance effect.

これらの現象をスイッチング機能として利用する実用的な電子デバイスや磁気デバイス、さらには光デバイスといった何らかの装置(デバイス)を作製するためには、スイッチング機能をもたらす現象を室温(例えば300K)以上の温度域にて実現する必要がある。ところが、上記特許文献1〜3に開示されているスイッチング機能は、いずれも例えば液体窒素温度(77K)以下といった低温にて確認されているものばかりである。これらの開示におけるペロフスカイト型マンガン酸化物は、その化学組成をABOと表記すると、原子積層面はAO層、BO層、AO層、・・・と繰り返し積層される積層構造となる。以下、このような積層構造の結晶構造をAO−BO−AOと記すこととする。なお、ペロフスカイト構造の単位胞において、Aサイトは頂点、Bサイトは体心、O(酸素)は面心の各位置を占める。また、マンガンはBサイトに配置される。In order to manufacture any device (device) such as a practical electronic device, magnetic device, or optical device that uses these phenomena as a switching function, the phenomenon that brings about the switching function is a temperature range above room temperature (for example, 300 K). Needs to be realized. However, all of the switching functions disclosed in Patent Documents 1 to 3 have been confirmed at a low temperature such as a liquid nitrogen temperature (77K) or lower. Perovskite type manganese oxide in these disclosures, when denoted the chemical composition as ABO 3, atomic stacking surface AO layers, BO 2 layers, AO layer, a laminated structure which is ... repeatedly stacked. Hereinafter, the crystal structure of such a stacked structure is referred to as AO-BO 2 -AO. In the unit cell of the perovskite structure, the A site occupies the apex, the B site occupies the body center, and O (oxygen) occupies the face center. Manganese is arranged at the B site.

上記文献1〜3それぞれに開示されるペロフスカイト型マンガン酸化物においてスイッチング現象が観察される温度つまり電荷軌道秩序が発現する温度(以下、「発現温度」という)の低下に関係していると考えられているのが、ペロフスカイトの結晶構造のAサイトを占める元素またはイオンの種類である。端的には、ペロフスカイトの結晶構造のAサイトが3価の希土類カチオン(以下「Ln」と記す)と2価のアルカリ土類(「Ae」)とによってランダムに占められており、そのランダムさが原因となって発現温度が低下している。逆に、仮にAサイトの元素またはイオンを、AeO−BO−LnO−BO−AeO−BO−LnO−BO−・・・と秩序化させることができれば、電荷整列相への転移温度は約500K前後にまで上昇させうることも知られている。以下、ここに例示されたもののように、Aサイトを占めるイオンを規則的に配置することを「Aサイト秩序化」といい、そのようなAサイト秩序化が実現されているペロフスカイト型マンガン酸化物をAサイト秩序化ペロフスカイト型マンガン酸化物という。そのような高い転移温度を示す一群の物質は、アルカリ土類AeとしてBa(バリウム)を含むことを特徴としている。例えば、アルカリ土類AeとしてBaを含み、さらに希土類元素Lnとしてイオン半径の小さいY(イットリウム)、Ho(ホルミウム)、Dy(ジスプロシウム)、Tb(テルビウム)、Gd(ガドリニウム)、Eu(ユーロピウム)、Sm(サマリウム)を用いた場合には、転移温度が室温を超えることが報告されている。In the perovskite-type manganese oxide disclosed in each of the above documents 1 to 3, it is considered that this is related to a decrease in the temperature at which the switching phenomenon is observed, that is, the temperature at which the charge orbital order develops (hereinafter referred to as “expression temperature”). What is the type of element or ion occupying the A site of the perovskite crystal structure. In short, the A site of the perovskite crystal structure is randomly occupied by trivalent rare earth cations (hereinafter referred to as “Ln”) and divalent alkaline earth (“Ae”). The onset temperature has decreased. Conversely, if the element or ion at the A site can be ordered as AeO—BO 2 —LnO—BO 2 —AeO—BO 2 —LnO—BO 2 —..., The transition temperature to the charge alignment phase It is also known that can be raised to around 500K. Hereinafter, the regular arrangement of ions occupying the A site, as exemplified here, is referred to as “A site ordering”, and the perovskite type manganese oxide in which such A site ordering is realized. Is called A-site ordered perovskite manganese oxide. A group of substances exhibiting such a high transition temperature is characterized by containing Ba (barium) as the alkaline earth Ae. For example, Ba is contained as the alkaline earth Ae, and Y (yttrium), Ho (holmium), Dy (dysprosium), Tb (terbium), Gd (gadolinium), Eu (europium) having a small ionic radius as the rare earth element Ln, It has been reported that when Sm (samarium) is used, the transition temperature exceeds room temperature.

これらの現象を利用する例えば磁気デバイスや光デバイスといった何らかの装置(電子デバイス)を実現するためには、ペロフスカイト型マンガン酸化物を薄膜形態に形成した上で上記のスイッチング現象を実現することが必要となる。ところが、(100)面方位基板上にその薄膜を形成してもスイッチング機能が実現しにくいという課題があった。この原因は、面内の4回対称性に起因して、電荷整列相あるいは軌道整列相への相転移に必要なヤーン・テラー(Jahn-Teller)モードと呼ばれる格子変形が抑制されるためである。   In order to realize any device (electronic device) such as a magnetic device or an optical device using these phenomena, it is necessary to realize the above switching phenomenon after forming a perovskite-type manganese oxide in a thin film form. Become. However, there is a problem that even if the thin film is formed on the (100) plane orientation substrate, it is difficult to realize the switching function. This is because the lattice deformation called Jahn-Teller mode necessary for the phase transition to the charge alignment phase or the orbital alignment phase is suppressed due to the in-plane four-fold symmetry. .

それに対し特許文献4には、(110)面方位基板を利用してペロフスカイト酸化物の薄膜を形成することが開示されている。この開示によれば、(110)面方位基板において面内の4回対称性が破れる場合には、形成された薄膜がスイッチングする際の結晶格子のずり変形が許容される。このずり変形が生じると、結晶格子が基板面と平行に配向し、電荷整列面や軌道整列面が基板面に対して非平行となる。また、上記のAサイト秩序化ペロフスカイト型マンガン酸化物に関しても薄膜化した例が特許文献5に開示されている。この開示には、アモルファス状の薄膜を一旦堆積した後、レーザーアニールにより結晶化とAサイト秩序化を行う塗布光照射法が報告されている。実際、(100)面方位SrTiO(格子定数0.3905nm)基板上に形成したSmBaMn薄膜においてAサイトが秩序化していることが電子線回折により確認されている。On the other hand, Patent Document 4 discloses that a perovskite oxide thin film is formed using a (110) plane orientation substrate. According to this disclosure, when the in-plane four-fold symmetry is broken in the (110) plane orientation substrate, shear deformation of the crystal lattice is allowed when the formed thin film is switched. When this shear deformation occurs, the crystal lattice is oriented parallel to the substrate surface, and the charge alignment surface and the orbital alignment surface are not parallel to the substrate surface. Further, Patent Document 5 discloses an example in which the A-site ordered perovskite-type manganese oxide is thinned. This disclosure reports a coating light irradiation method in which an amorphous thin film is once deposited and then crystallized and A-site ordering is performed by laser annealing. In fact, it has been confirmed by electron beam diffraction that the A site is ordered in the SmBaMn 2 O 6 thin film formed on the (100) plane orientation SrTiO 3 (lattice constant 0.3905 nm) substrate.

特開平8−133894号公報JP-A-8-133894 特開平10−255481号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-255481 特開平10−261291号公報JP-A-10-261291 特開2005−213078号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2005-213078 特開2008−156188号公報JP 2008-156188 A

しかしながら、Aサイトのイオンを秩序化させることにより室温を含みそれ以上の温度で電荷軌道秩序を発現する物質は、Aサイトのイオンにおける秩序度が、スイッチング現象が実現する温度すなわち電荷軌道秩序の発現温度に大きな影響を与えるという問題がある。特にAサイト秩序化ペロフスカイト型マンガン酸化物からなる薄膜においては、形成される薄膜の中に欠陥が導入されたり薄膜の組成に僅かなずれが生じたりするだけでも、Aサイトイオンの秩序度が低減する懸念がある。特許文献4に報告される(110)面方位基板上の薄膜には、上記の秩序度低減と発現温度低下とのいずれの問題の解決にも寄与しないという課題がある。このように、従来のペロフスカイト型酸化物薄膜においては、電荷軌道秩序の発現温度が低温にとどまるという問題や、Aサイトの秩序度に依存した室温以上の電荷軌道秩序の発現温度とそれゆえの不安定性という問題が未解決である。   However, a substance that exhibits charge orbital order at room temperature and higher by ordering ions at the A site has a degree of order in the ions at the A site that is the temperature at which the switching phenomenon is realized, that is, the expression of charge orbital order. There is a problem that the temperature is greatly affected. In particular, in a thin film made of an A-site ordered perovskite-type manganese oxide, the degree of order of A-site ions is reduced even if defects are introduced into the formed thin film or a slight shift occurs in the composition of the thin film. There are concerns. The thin film on the (110) plane orientation substrate reported in Patent Document 4 has a problem that it does not contribute to the solution of any of the problems of the reduction in the degree of order and the reduction in the expression temperature. As described above, in the conventional perovskite type oxide thin film, there is a problem that the temperature at which the charge orbital order appears is low, and the temperature at which the charge orbital order rises above room temperature depending on the degree of order at the A site and the anxiety. The qualitative problem is still unresolved.

本発明は上記問題点に鑑みてなされたものである。本発明は、何らかの外的刺激(外場)による相転移の制御を室温で実現してスイッチング機能を実現するようなマンガン酸化物薄膜または酸化物積層体を提供することにより、新規なデバイスの創出に貢献するものである。   The present invention has been made in view of the above problems. The present invention creates a novel device by providing a manganese oxide thin film or an oxide laminate that realizes a switching function by controlling phase transition by some external stimulus (external field) at room temperature. It contributes to.

本願の発明者は上記課題を吟味した結果、機能発現温度が低温にとどまるという問題やAサイトの秩序度に依存した室温以上の機能発現温度とそれゆえの不安定性という問題は、ペロフスカイト型Mn酸化物のAサイトを占める2種類のカチオン、すなわち3価の希土類カチオン(Ln)と2価のアルカリ土類(Ae)の組成比にあると考えるに至りこの課題を解決する手段を見出した。   As a result of examining the above-mentioned problems, the inventors of the present application have found that the problem of the function expression temperature remaining at a low temperature and the function expression temperature above room temperature depending on the order degree of the A site and hence the instability are the perovskite type Mn oxidation. It has been considered that the composition ratio of two kinds of cations occupying the A site of the product, that is, trivalent rare earth cation (Ln) and divalent alkaline earth (Ae), has found a means for solving this problem.

つまり、上述した各問題はまず、2種類のカチオン、すなわち3価の希土類元素(Ln)に対して相当量の2価のアルカリ土類(Ae、例えばSrやBa)が存在する状況において発現する一次転移を利用することに起因していると本願発明者は考えた。従来試みられてきたAeの比率は、AeとLnとの和に対して、0.3〜0.5といったものである。その場合、室温に比べ低温となる転移温度を上昇させることにより、室温におけるスイッチングを発現させることが目標となる。ところが、全く逆のアプローチによっても、室温付近においてスイッチングを発現させることができるはず、と本願発明者は着想し、その具体的手段を見出した。本願において採用するのは、室温よりも高温に転移温度を持つような組成から、転移温度を低下させるようなアプローチである。   In other words, each of the above-mentioned problems is first manifested in a situation where a considerable amount of divalent alkaline earth (Ae, for example, Sr or Ba) is present for two types of cations, that is, trivalent rare earth elements (Ln). The inventor of the present application thought that it was caused by utilizing the first order transition. A conventionally attempted ratio of Ae is 0.3 to 0.5 with respect to the sum of Ae and Ln. In that case, the goal is to develop switching at room temperature by raising the transition temperature, which is lower than room temperature. However, the inventors of the present application have conceived that switching should be allowed to occur near room temperature even by a completely reverse approach, and have found a specific means. In this application, an approach that lowers the transition temperature from a composition having a transition temperature higher than room temperature is adopted.

本発明のある態様においては、上記課題の少なくともいずれかを解決する具体的解決手段として、(110)面方位または(210)面方位の基板の面の上に形成されたペロフスカイト型マンガン酸化物薄膜であって、組成式Ln1−xAeMnO(ただし、Lnはランタノイドから選択される少なくとも1種の3価の希土類元素であり、AeはCa、Sr、Baからなる群から選択される少なくとも1種のアルカリ土類元素)の組成を有し、前記組成式において、0<x≦1/18であるマンガン酸化物薄膜が提供される。In one embodiment of the present invention, as a specific means for solving at least one of the above problems, a perovskite-type manganese oxide thin film formed on a (110) or (210) oriented substrate surface And Ln 1-x Ae x MnO 3 (where Ln is at least one trivalent rare earth element selected from lanthanoids, and Ae is selected from the group consisting of Ca, Sr, and Ba) A manganese oxide thin film having a composition of at least one alkaline earth element), wherein 0 <x ≦ 1/18 is provided.

上記ペロフスカイト型マンガン酸化物薄膜のマンガン酸化物はABOと表現される組成の結晶格子を有している。そして本態様におけるマンガン酸化物薄膜の結晶は、通常のペロフスカイト型結晶と同様に、BサイトにMn(マンガン)を有するとともに、そのMnを囲むような酸素八面体を備えている。特に、本態様におけるAサイトには、元素Lnと、例えば2価である、アルカリ土類(Ae)とが配置される。アルカリ土類イオン(Ae)の組成比xに対応してホール(hole)が導入される。この際、上記xの範囲とすることにより、ホールの分布、すなわちMn4+イオンの空間的分布のいかんにかかわらず、Mn3+イオンが2つ以上連続して隣り合う2次元領域を必ず確保することが可能となる。したがって、x=0、すなわち転移温度が室温より遙かに高温となるモット絶縁体での軌道整列相の領域が減少するため、軌道整列相の転移温度自体を低下させながら、軌道整列相自体が維持されるものと期待される。また、基板の面方位が(110)あるいは(210)面方位であることにより面内の4回対称性が破れるため、一次転移である絶縁体金属転移が、基板にコヒーレントに成長したミスフィット等の欠陥のないエピタキシャル薄膜で利用可能となる。The manganese oxide of the perovskite-type manganese oxide thin film has a crystal lattice having a composition expressed as ABO 3 . And the crystal | crystallization of the manganese oxide thin film in this aspect has the oxygen octahedron which has Mn (manganese) in the B site similarly to the normal perovskite type crystal, and surrounds the Mn. In particular, the element Ln and, for example, divalent alkaline earth (Ae) are arranged at the A site in this embodiment. Holes are introduced corresponding to the composition ratio x of alkaline earth ions (Ae). At this time, by setting the above range of x, a two-dimensional region in which two or more Mn 3+ ions are continuously adjacent to each other is surely secured regardless of the distribution of holes, that is, the spatial distribution of Mn 4+ ions. Is possible. Therefore, since the region of the orbital alignment phase in the Mott insulator where x = 0, that is, the transition temperature is much higher than room temperature, decreases, the orbital alignment phase itself is reduced while lowering the transition temperature of the orbital alignment phase itself. Expected to be maintained. In addition, since the in-plane four-fold symmetry is broken when the plane orientation of the substrate is the (110) or (210) plane orientation, a misfit or the like in which the insulator-metal transition, which is the primary transition, grows coherently on the substrate, etc. It can be used in an epitaxial thin film having no defects.

なお、x≦1/27となると、Mn4+イオンの分布状況によらず、軌道整列したMn3+イオンが2つ以上連続して隣り合う3次元領域を必ず確保することが可能となる。この場合、モット絶縁体での軌道整列相の維持は容易となるものの、モット絶縁体を崩壊させ金属化するに必要な外場の閾値は大きくなる。When x ≦ 1/27 , it is possible to always ensure a three-dimensional region in which two or more Mn 3+ ions that are orbitally aligned are adjacent to each other regardless of the distribution state of Mn 4+ ions. In this case, it is easy to maintain the orbital alignment phase in the Mott insulator, but the threshold value of the external field required to collapse and metallize the Mott insulator is increased.

したがって、絶縁体金属転移による抵抗変化比を比較的大きく取りつつ、モット絶縁体を崩壊させ金属化するに必要な外場の閾値を低減したい場合には、1/27<x≦1/18の範囲とするのが好適である。   Accordingly, when it is desired to reduce the threshold value of the external field necessary for collapsing and metallizing the Mott insulator while taking a relatively large resistance change ratio due to the insulator-metal transition, 1/27 <x ≦ 1/18. The range is preferable.

本発明の上述した態様のマンガン酸化物薄膜において、前記マンガン酸化物薄膜の組成が、組成式Ln1−xAeMnO(ただし、Lnは、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dyからなる群から選択される少なくとも1種の3価の希土類元素)により表されるものであると好適である。In the above-described manganese oxide thin film according to the present invention, the composition of the manganese oxide thin film has a composition formula Ln 1-x Ae x MnO 3 (where Ln is La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, It is preferable that it is represented by at least one trivalent rare earth element selected from the group consisting of Eu, Gd, Tb, and Dy.

元素Lnとして選択される3価の希土類元素の上記群は、ランタノイドを原子番号順にならべてHo以降を除いた元素群である。上記群のうちから3価の希土類元素を選択すると、酸素八面体の回転の程度を制御することが可能となって、軌道整列の発現しやすさを調整することが可能となる利点がある。   The group of trivalent rare earth elements selected as the element Ln is an element group obtained by arranging lanthanoids in the order of atomic numbers and excluding Ho. When a trivalent rare earth element is selected from the above group, there is an advantage that the degree of rotation of the oxygen octahedron can be controlled and the ease of occurrence of orbital alignment can be adjusted.

加えて、本発明においては、さらなる層が付加された酸化物積層体も提供される。すなわち、本発明のある態様においては、上記態様のいずれかのマンガン酸化物薄膜と、該マンガン酸化物薄膜のいずれかの面に接している強相関酸化物薄膜とを備えており、酸化物積層体全体の厚さt、前記マンガン酸化物薄膜の厚さtm、および前記強相関酸化物薄膜の厚さt1が、該強相関酸化物薄膜が金属相となるための臨界膜厚tcに対して、 t=tm+t1>tc、かつt1<tc、関係を満たしている酸化物積層体が提供される。   In addition, the present invention also provides an oxide stack with additional layers added. That is, an aspect of the present invention includes the manganese oxide thin film according to any one of the above aspects, and a strongly correlated oxide thin film in contact with any surface of the manganese oxide thin film. The thickness t of the entire body, the thickness tm of the manganese oxide thin film, and the thickness t1 of the strongly correlated oxide thin film are compared with the critical film thickness tc for the strongly correlated oxide thin film to become a metal phase. T = tm + t1> tc and t1 <tc, an oxide stack satisfying the relationship is provided.

本態様の酸化物積層体においては、絶縁体金属転移(モット転移)によるマンガン酸化物薄膜のスイッチング機能の検出が、上述したマンガン酸化物薄膜単体のものに比べ容易になる。これは、絶縁体金属転移(モット転移)によるマンガン酸化物薄膜のスイッチング機能つまり電子状態の変化を、酸化物積層体試料の例えば抵抗変化として外部から容易に検出することができるためである。この検出容易化の仕組みは、次元クロスオーバーと呼ぶものであり、その詳細は「1−4 積層化による検知性の向上(次元クロスオーバー)」の欄にて詳述する。さらに、検出が容易になる結果、副次的に、転移を生じるために必要となる外場の閾値を低減させることも可能となる。これは、モット転移するマンガン酸化物薄膜全体の厚みを、マンガン酸化物薄膜単体の場合に比べ薄くすることも可能となるためである。   In the oxide laminated body of this aspect, the detection of the switching function of the manganese oxide thin film by an insulator metal transition (Mott transition) becomes easy compared with the thing of the manganese oxide thin film single-piece | unit mentioned above. This is because the switching function of the manganese oxide thin film, that is, the change in the electronic state due to the insulator-metal transition (Mott transition) can be easily detected from the outside, for example, as a resistance change of the oxide laminate sample. This mechanism for facilitating detection is called dimensional crossover, and details thereof will be described in detail in the section “1-4 Improvement of detectability by stacking (dimensional crossover)”. Furthermore, as a result of easy detection, it becomes possible to reduce the threshold value of the external field necessary for causing a secondary transfer. This is because the thickness of the entire manganese oxide thin film that undergoes Mott transition can be made thinner than that of a single manganese oxide thin film.

さらに、本発明において提供される酸化物積層体には、上記態様のいずれかのマンガン酸化物薄膜と、該マンガン酸化物薄膜の一方の面に接している第1の強相関酸化物薄膜と、該マンガン酸化物薄膜の他方の面に接している第2の強相関酸化物薄膜とを備えており、酸化物積層体全体の厚さt、前記マンガン酸化物薄膜の厚さtm、前記第1および第2の強相関酸化物薄膜それぞれの厚さt1およびt2が、各強相関酸化物薄膜が金属相となるための臨界膜厚tcに対して、t=tm+t1+t2>tc、かつmax(t1、t2)<tc、ただし、max()は、変数のうちの最大値を返す関数、関係を満たしている酸化物積層体を含んでいる。   Furthermore, in the oxide laminate provided in the present invention, the manganese oxide thin film according to any one of the above aspects, a first strongly correlated oxide thin film in contact with one surface of the manganese oxide thin film, A second strongly correlated oxide thin film in contact with the other surface of the manganese oxide thin film, the thickness t of the whole oxide stack, the thickness tm of the manganese oxide thin film, the first And the thickness t1 and t2 of each of the second strongly correlated oxide thin films are t = tm + t1 + t2> tc and max (t1, t2) <tc, where max () includes a function that returns the maximum value of variables, and an oxide stack that satisfies the relationship.

上記態様により、ペロフスカイト型マンガン酸化物薄膜の厚みをより薄くすることが可能となるため、スイッチングに必要な外場強度を、より低減することが可能となる。本態様の酸化物積層体においては、マンガン酸化物薄膜の両面に強相関酸化物薄膜が接して配置される。強相関酸化物薄膜を接触させる効果が、片側のみの場合に比べて一層顕著に得られることとなるためである。   According to the above aspect, the thickness of the perovskite-type manganese oxide thin film can be further reduced, so that the external field strength necessary for switching can be further reduced. In the oxide laminate of this embodiment, the strongly correlated oxide thin film is disposed on both sides of the manganese oxide thin film. This is because the effect of bringing the strongly correlated oxide thin film into contact is more remarkably obtained as compared with the case of only one side.

本発明の上記態様のマンガン酸化物薄膜の組成中の電子相は、モット転移により絶縁体と金属との間で相転移する性質を示す。ここで、このようなマンガン酸化物は、一般にはモット絶縁体と呼ばれる物質群の一種でもある。しかし本出願におけるマンガン酸化物薄膜は、金属絶縁体転移を生じる性質を示す薄膜であり必ずしも常に絶縁体相とはならない。このような材質を、以下「マンガン酸化物」と表現する。また、モット転移には、一般に、温度のみならず、外的な刺激(以下「外場」という)も関与することがある。外場を印加しない場合の温度のみにより生じるモット転移では、絶縁体相は低温側、金属相あるいは低抵抗となる相は高温側に出現する。これに対し、ある温度において外場を変化させて生じさせたモット転移では、絶縁体相は外場が弱い側、金属相は外場が強い側に現われる。本発明の上述した態様のマンガン酸化物薄膜においては、室温(例えば300K)において外場によりモット転移を生じさせることが可能となる。これは、上記態様においては、室温よりも高温において通常現われるモット転移の転移温度を従来よりも低温化させていること、および、モット転移のための外場の閾値を従来よりも小さくすること、の両方またはいずれかを意味している。なお、ここでの外場には、典型的には、磁場、電場、電流、光、および圧力、そしてこれらの任意の組合せを含んでいる。   The electronic phase in the composition of the manganese oxide thin film of the above aspect of the present invention exhibits the property of phase transition between the insulator and the metal due to Mott transition. Here, such a manganese oxide is also a kind of material group generally called a Mott insulator. However, the manganese oxide thin film in the present application is a thin film exhibiting a property of causing a metal-insulator transition and is not always an insulator phase. Such a material is hereinafter referred to as “manganese oxide”. Mott transition generally involves not only temperature but also external stimuli (hereinafter referred to as “external field”). In the Mott transition caused only by the temperature when no external field is applied, the insulator phase appears on the low temperature side, and the metal phase or low resistance phase appears on the high temperature side. On the other hand, in the Mott transition caused by changing the external field at a certain temperature, the insulator phase appears on the side where the external field is weak, and the metal phase appears on the side where the external field is strong. In the manganese oxide thin film according to the above-described aspect of the present invention, the Mott transition can be caused by an external field at room temperature (for example, 300 K). This is because, in the above embodiment, the transition temperature of the Mott transition that usually appears at a temperature higher than room temperature is lower than the conventional one, and the threshold of the external field for the Mott transition is smaller than the conventional one. Means both or either. The external field here typically includes a magnetic field, an electric field, a current, light, and pressure, and any combination thereof.

なお、本出願において、元素Lnは少なくとも1種の元素であるため、複数の元素の組合せを含みうることに留意されたい。   It should be noted that in the present application, the element Ln is at least one element and may include a combination of a plurality of elements.

ちなみに、本発明のマンガン酸化物薄膜の組成式Ln1−xAeMnOにおける3価の希土類元素Lnが複数種の元素の組合せとなる場合について補足する。例えば元素Lnとして2種の3価の希土類元素が用いられるときの化学組成を別の形式により表現してみると、本態様のマンガン酸化物であるLn1−xAeMnOと表現される組成物には、3価のカチオンとなりうる別々の希土類元素それぞれをLn、Lnとして、(Ln 1−xAeMnO(Ln 1−xAeMnO1−y、ただし0<y<1、と表現される組成物を含む。このように表現される組成物は、典型的には、希土類元素Lnを含むマンガン酸化物Ln 1−xAeMnOと、希土類元素Lnを含むマンガン酸化物Ln 1−xAeMnOとの任意の比率y:1−yの固溶体である。Incidentally, supplementary case where trivalent rare earth element Ln in the formula Ln 1-x Ae x MnO 3 manganese oxide thin film of the present invention is the combination of a plurality of elements. For example, when the chemical composition when two kinds of trivalent rare earth elements are used as the element Ln is expressed in another form, it is expressed as Ln 1-x Ae x MnO 3 which is the manganese oxide of this embodiment. In the composition, Ln 1 and Ln 2 are used as the different rare earth elements that can be trivalent cations, and (Ln 1 1-x Ae x MnO 3 ) y (Ln 2 1-x Ae x MnO 3 ) 1-y However, a composition expressed as 0 <y <1 is included. The composition expressed in this way is typically a manganese oxide Ln 1 1-x Ae x MnO 3 containing a rare earth element Ln 1 and a manganese oxide Ln 2 1-x Ae containing a rare earth element Ln 2. x A solid solution having an arbitrary ratio y: 1-y with MnO 3 .

本発明のペロフスカイト型マンガン酸化物薄膜および酸化物積層体は、Aサイトにおける3価の希土類カチオン(Ln)と2価のアルカリ土類(Ae)の組成比をある範囲内とすることで組成比分布によるばらつきの問題を解消し、室温での絶縁体金属転移に必要な外場閾値を格段に低減することにより、外場により制御されるモット転移を室温で実現するものである。   The perovskite-type manganese oxide thin film and oxide laminate of the present invention have a composition ratio by keeping the composition ratio of the trivalent rare earth cation (Ln) and the divalent alkaline earth (Ae) in the A site within a certain range. The problem of dispersion due to distribution is solved, and the Mott transition controlled by the external field is realized at room temperature by dramatically reducing the external field threshold necessary for the insulator-metal transition at room temperature.

本発明のある実施形態におけるマンガン酸化物薄膜の一例の概略断面図である。図1(a)は、基板1に形成されているマンガン酸化物薄膜の構成を示す全体図であり、図1(b)および図1(c)は、それぞれ、基板1が(110)面方位基板および(210)面方位基板であるときのマンガン酸化物薄膜の原子積層面(断面図)を示す拡大図である。It is a schematic sectional drawing of an example of the manganese oxide thin film in one embodiment of this invention. FIG. 1 (a) is an overall view showing the structure of a manganese oxide thin film formed on a substrate 1, and FIGS. 1 (b) and 1 (c) show the (110) plane orientation of the substrate 1, respectively. It is an enlarged view which shows the atomic lamination surface (sectional drawing) of a manganese oxide thin film when it is a board | substrate and a (210) surface orientation board | substrate. 本発明のある実施形態のマンガン酸化物薄膜において電子が軌道秩序を有する場合において、X−Y面で3×3の単位胞に1つMn4+が平均的に配置された場合のMn4+の配置状況を示す説明図である。図2(a)は、X−Y面で3×3の単位胞に1つMn4+が平均的に配置された場合における2×2個のMn3+配置状況を示す図であり、図2(b)は、2×2個のMn3+配置における軌道整列を示す図である。In the manganese oxide thin film of an embodiment of the present invention, in the case where electrons have orbital order, the arrangement of Mn 4+ in the case where one Mn 4+ is arranged on an average in a 3 × 3 unit cell on the XY plane. It is explanatory drawing which shows a condition. FIG. 2 (a) is a diagram illustrating a 2 × 2 Mn 3+ arrangement state in the case where one Mn 4+ is averagely arranged in a 3 × 3 unit cell on the XY plane, and FIG. b) shows orbital alignment in a 2 × 2 Mn 3+ configuration. 本発明のある実施形態のマンガン酸化物薄膜において、X−Y面で3×3の単位胞に1つMn4+が配置されたMn4+の配置状況を示す説明図である。図3(a)は、平均的に配置された場合、図3(b)は、偏在して配置された場合である。It is explanatory drawing which shows the arrangement | positioning condition of Mn4 + by which one Mn4 + is arrange | positioned at 3x3 unit cell in the XY plane in the manganese oxide thin film of one embodiment of this invention. FIG. 3 (a) shows a case where they are arranged on average, and FIG. 3 (b) shows a case where they are arranged unevenly. 本発明のある実施形態のマンガン酸化物薄膜において、X−Y面で3×3の単位胞、かつZ方向に複数の単位胞で占められた領域に1つのMn4+が配置された状況を示す説明図である。図4(a)は、Z方向に2つの単位胞にMn4+が平均的に配置された様子、図4(b)は、Z方向に2つの単位胞にMn4+が偏在して配置された様子、図4(c)は、Z方向に3つの単位胞にMn4+が平均的に配置された様子、図4(d)は、Z方向に3つの単位胞にMn4+が偏在して配置された様子をそれぞれ示している。In the manganese oxide thin film of an embodiment of the present invention, a situation is shown in which one Mn 4+ is arranged in a region occupied by 3 × 3 unit cells in the XY plane and a plurality of unit cells in the Z direction. It is explanatory drawing. FIGS. 4 (a) shows a state that Mn 4+ two unit cell in the Z direction is averaged arranged, FIG. 4 (b), Mn 4+ are arranged unevenly on two unit cell in the Z-direction Fig. 4 (c) shows an average arrangement of Mn 4+ in three unit cells in the Z direction, and Fig. 4 (d) shows an Mn 4+ unevenly arranged in three unit cells in the Z direction. Each of them is shown. 本発明のある実施形態の(110)面方位基板に形成したマンガン酸化物薄膜中における単位胞の集合の様子を説明する説明図である。図5(a)は[001]軸方位から、また、図5(b)は[1−10]軸方位にむかってみた断面図である。It is explanatory drawing explaining the mode of an assembly of the unit cell in the manganese oxide thin film formed in the (110) surface orientation board | substrate of embodiment with this invention. 5A is a cross-sectional view taken from the [001] axis direction, and FIG. 5B is a cross-sectional view taken from the [1-10] axis direction. 本発明のある実施形態の(210)面方位基板に形成したマンガン酸化物薄膜中における単位胞の集合の様子を説明する説明図である。図6(a)は[001]軸方位から、また、図6(b)は[1−20]軸方位にむかってみた断面図である。It is explanatory drawing explaining the mode of the assembly of the unit cell in the manganese oxide thin film formed in the (210) surface orientation board | substrate of embodiment with this invention. 6A is a cross-sectional view taken from the [001] axis direction, and FIG. 6B is a cross-sectional view taken from the [1-20] axis direction. 本発明のある実施形態における強相関酸化物薄膜を接して作製したマンガン酸化物薄膜を含む酸化物積層体の一例の構成を示す概略断面図である。図7(a)はマンガン酸化物薄膜の基板側に強相関酸化物薄膜を形成した例であり、図7(b)は、マンガン酸化物薄膜の表面に強相関酸化物薄膜を形成した例である。It is a schematic sectional drawing which shows the structure of an example of the oxide laminated body containing the manganese oxide thin film produced in contact with the strongly correlated oxide thin film in one embodiment of this invention. FIG. 7A shows an example in which a strongly correlated oxide thin film is formed on the substrate side of the manganese oxide thin film, and FIG. 7B shows an example in which a strongly correlated oxide thin film is formed on the surface of the manganese oxide thin film. is there. 本発明のある実施形態において、強相関酸化物薄膜をマンガン酸化物薄膜の両面に接触させて形成した酸化物積層体の一例の概略断面図である。1 is a schematic cross-sectional view of an example of an oxide laminate formed by bringing a strongly correlated oxide thin film into contact with both surfaces of a manganese oxide thin film in an embodiment of the present invention.

以下、本発明に係るマンガン酸化物薄膜および酸化物積層体の実施形態を図面に基づいて説明する。当該説明に際し特に言及がない限り、全図にわたり共通する部分または要素には共通する参照符号が付されている。また、図中、各実施形態の要素のそれぞれは、必ずしも互いの縮尺比を保って示されてはいない。   Hereinafter, embodiments of a manganese oxide thin film and an oxide laminate according to the present invention will be described with reference to the drawings. In the description, unless otherwise specified, common parts or elements are denoted by common reference numerals throughout the drawings. In the drawings, each element of each embodiment is not necessarily shown in a scale ratio.

<第1実施形態>
[1 基本原理]
[1−1 構造]
以下、本発明に係るペロフスカイト型マンガン酸化物薄膜および酸化物積層体の実施形態を図1〜図8を参照して説明する。図1は、本実施形態におけるマンガン酸化物薄膜2の一例の概略断面図である。図1(a)は、基板1に形成されているマンガン酸化物薄膜2の構成を示す全体図であり、図1(b)および図1(c)は、それぞれ、基板1が(110)面方位基板および(210)面方位基板であるときのマンガン酸化物薄膜2の原子積層面(断面図)を示す拡大図である。図1(b)および(c)の結晶構造は、基板面に垂直な面にて切断したマンガン酸化物薄膜2のものである。
<First Embodiment>
[1 Basic principle]
[1-1 Structure]
Hereinafter, embodiments of a perovskite-type manganese oxide thin film and an oxide laminate according to the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an example of the manganese oxide thin film 2 in the present embodiment. FIG. 1A is an overall view showing a configuration of a manganese oxide thin film 2 formed on a substrate 1, and FIGS. 1B and 1C show the (110) plane of the substrate 1, respectively. It is an enlarged view which shows the atomic lamination surface (sectional drawing) of the manganese oxide thin film 2 when it is an orientation board | substrate and a (210) plane orientation board | substrate. The crystal structures of FIGS. 1B and 1C are those of the manganese oxide thin film 2 cut along a plane perpendicular to the substrate surface.

本実施形態のマンガン酸化物薄膜2は、(110)面方位基板に形成されたマンガン酸化物薄膜20と、(210)面方位基板に形成されたマンガン酸化物薄膜21とを総称するものである。図1(b)に示すように、マンガン酸化物薄膜20には、(Ln、Ae)MnO層とO層とが交互に基板面直方向に積層されている原子積層面の結晶構造、すなわち、(Ln、Ae)MnO−O−(Ln、Ae)MnO…と並ぶ結晶構造の材質を採用する。この結晶構造により、面内の4回対称が破れ2回対称となる結果、モット転移による絶縁体金属転移が発現可能となる。これに対し、マンガン酸化物薄膜21には、図1(c)に示すように、(Ln、Ae)O層とMnO層とが交互に基板面直方向に積層されている原子積層面の結晶構造、すなわち、(Ln、Ae)O−MnO−(Ln、Ae)O…と並ぶ結晶構造の材質を採用する。この結晶構造により、マンガン酸化物薄膜20とマンガン酸化物薄膜21との双方において、面内の4回対称が破れ2回対称となる結果、モット転移による絶縁体金属転移が発現可能となる。The manganese oxide thin film 2 of the present embodiment is a generic term for the manganese oxide thin film 20 formed on the (110) plane-oriented substrate and the manganese oxide thin film 21 formed on the (210) plane-oriented substrate. . As shown in FIG. 1B, the manganese oxide thin film 20 has a crystal structure of an atomic stacked surface in which (Ln, Ae) MnO layers and O 2 layers are alternately stacked in the direction perpendicular to the substrate surface, , (Ln, Ae) MnO—O 2 — (Ln, Ae) MnO. With this crystal structure, the in-plane four-fold symmetry is broken and becomes two-fold symmetry. As a result, the insulator-metal transition due to the Mott transition can be realized. On the other hand, as shown in FIG. 1C, the manganese oxide thin film 21 has an atomic stacked surface in which (Ln, Ae) O layers and MnO 2 layers are alternately stacked in the direction perpendicular to the substrate surface. A material having a crystal structure, that is, a crystal structure aligned with (Ln, Ae) O—MnO 2 — (Ln, Ae) O. With this crystal structure, in both the manganese oxide thin film 20 and the manganese oxide thin film 21, the in-plane four-fold symmetry is broken and becomes two-fold symmetry. As a result, insulator-metal transition due to the Mott transition can be realized.

なお、図1(b)および(c)は、本実施形態のマンガン酸化物薄膜20および21のペロフスカイト構造の結晶構造が立方晶を取る場合を例示したものである。ただし、本実施形態のマンガン酸化物薄膜20、21の組成、すなわちペロフスカイト構造であり組成式Ln1−xAeMnOにより表現されるマンガン酸化物は、立方晶以外の結晶格子、つまり正方晶(tetragonal)、斜方晶(orthorhombic)、単斜晶(monoclinic)、三斜晶(triclinic)、三方晶(trigonal)、六方晶(hexagonal)といったより低次の対称性のみを持つ結晶構造におけるペロフスカイト構造である場合もある。というのは、いずれの結晶格子の場合であっても、本実施形態のマンガン酸化物薄膜20、21では上記対称性の破れによる変形が許容されるためである。なお、本実施形態ペロフスカイト構造には、例えば、上述のユニットセルを複数つなげてはじめて結晶格子の基本単位格子が得られるような結晶構造の物質も含まれている。FIGS. 1B and 1C illustrate a case where the crystal structure of the perovskite structure of the manganese oxide thin films 20 and 21 of the present embodiment is a cubic crystal. However, the composition of the manganese oxide thin films 20 and 21 of the present embodiment, that is, the perovskite structure and the manganese oxide represented by the composition formula Ln 1-x Ae x MnO 3 is a crystal lattice other than a cubic crystal, that is, a tetragonal crystal. Perovskites in crystal structures with lower order symmetry such as (tetragonal), orthorhombic, monoclinic, triclinic, trigonal, hexagonal It can be a structure. This is because, regardless of the crystal lattice, the manganese oxide thin films 20 and 21 of the present embodiment are allowed to be deformed due to the broken symmetry. Note that the perovskite structure of the present embodiment includes a substance having a crystal structure in which, for example, a basic unit cell of a crystal lattice can be obtained only by connecting a plurality of the unit cells described above.

そして、本実施形態において、マンガン酸化物薄膜2は、組成式Ln1−xAeMnO(ただし、Lnはランタノイドから選択される少なくとも1種の3価の希土類元素であり、AeはCa、Sr、Baからなる群から選択される少なくとも1種のアルカリ土類元素)の組成を有し、前記組成式において、0<x≦1/18とされる。ここで、マンガン酸化物薄膜2では、アルカリ土類イオン(Ae)の組成比xに対応してホール(hole)が導入される。このため、xをホールドープ量として説明することがある。In the present embodiment, the manganese oxide thin film 2 has the composition formula Ln 1-x Ae x MnO 3 (where Ln is at least one trivalent rare earth element selected from lanthanoids, and Ae is Ca, At least one alkaline earth element selected from the group consisting of Sr and Ba), and 0 <x ≦ 1/18 in the composition formula. Here, in the manganese oxide thin film 2, holes are introduced corresponding to the composition ratio x of alkaline earth ions (Ae). For this reason, x may be described as a hole doping amount.

[1−2 マンガン酸化物薄膜におけるモット転移の容易化]
次に、上記構造のマンガン酸化物薄膜2において、モット転移が容易化され室温においてスイッチングが発現可能になるメカニズムについて説明する。まず始めにAサイトにおける3価の希土類カチオン(Ln)に対する2価のアルカリ土類(Ae)、すなわちホールドープ量をx≦1/18あるいはx≦1/27のように、従来試みられてきたx≦0.3や0.5等と比べて著しく少なくする理由について説明する。
[1-2 Facilitating Mott transition in manganese oxide thin film]
Next, in the manganese oxide thin film 2 having the above-described structure, a mechanism that facilitates Mott transition and allows switching to occur at room temperature will be described. First, a divalent alkaline earth (Ae) with respect to a trivalent rare earth cation (Ln) at the A site, that is, a hole doping amount has been conventionally attempted so that x ≦ 1/18 or x ≦ 1/27. The reason why the number is significantly reduced as compared with x ≦ 0.3 or 0.5 will be described.

従来試みられてきたホールドープ量は上記のように数十%と多量である。このように多量に導入されたホールに対応するMn4+と、電子がe軌道に詰まったMn3+とが、電子の自己組織化とも言える電荷整列相や電荷軌道整列相を形成する。従来のアプローチのほとんどは、この点に着目し、電気的には絶縁体となる電子相と良導体となる金属相のように、互いに異なる秩序相の境界においてみられる巨大な物性変化(電気的には抵抗変化)の低閾値化を狙う、というものであった。しかしながらそれと引き換えに上記の相境界は室温以下の低温領域に存在してしまうため、室温動作には適さない。The amount of hole doping that has been attempted in the past is as high as several tens of percent as described above. And Mn 4+ corresponding to such a large amount so introduced holes, electrons and the jammed Mn 3+ in e g orbitals to form a charge ordering phase and charge trajectory aligned phases also say electronic self-organizing. Most of the conventional approaches pay attention to this point. From the viewpoint of electrical properties such as an electronic phase that is an insulator and a metal phase that is a good conductor, a huge physical property change (electrically) Was aimed at lowering the threshold of resistance change. However, in exchange, the above phase boundary exists in a low temperature region below room temperature, and is not suitable for room temperature operation.

これに対し、本願の発明者が注目したのは、ホールドープ量が少ない希薄ドープ領域である。従来、x=0のモット絶縁体は、転移温度が700〜1000K以上と非常に高いものとして知られているが、それゆえに絶縁相があまりに「強固(robust)」であり、外場による絶縁体金属転移は困難であった。それでは、この非常に高い転移温度を示すモット絶縁体の軌道整列相に、少しずつホールをドープしていくと一体どの範囲まで軌道整列相が維持されるのであろうか?この疑問が本発明の出発点である。すなわち、上記のようによく知られた低温での電荷整列相や電荷軌道整列相の相境界を狙うのではなく、モット絶縁体の高温での軌道整列相の相境界を実現すれば、相境界での低閾値化と室温動作を両立することが可能になるという考えに到達する。勿論、僅かであるがキャリア(ホール)をドープしていくわけであるから、モット絶縁体に比べればキャリアは動きやすくなり絶縁体金属転移における抵抗変化比は小さくなると考えられる。しかし、例えば不揮発メモリーのように抵抗変化比が半桁〜1桁もあれば多値化にも十分対応できるような応用が実際にあることを鑑みれば、このようなアプローチは大いに役立つと言える。   On the other hand, the inventors of the present application have focused on a diluted doped region with a small amount of hole doping. Conventionally, a Mott insulator with x = 0 is known as having a very high transition temperature of 700 to 1000 K or higher, and therefore, the insulating phase is too “robust” and the insulator due to the external field Metal transition was difficult. Then, to what extent can the orbital alignment phase be maintained when holes are gradually doped into the orbital alignment phase of the Mott insulator that exhibits this very high transition temperature? This question is the starting point of the present invention. That is, if the phase boundary of the Mott insulator at the high temperature orbital alignment phase is realized rather than aiming at the well-known phase boundary of the charge alignment phase or charge orbital alignment phase at the low temperature, the phase boundary The idea is reached that it is possible to achieve both low threshold and room temperature operation. Of course, since carriers (holes) are slightly doped, it is considered that the carriers move more easily than the Mott insulator and the resistance change ratio in the insulator-metal transition becomes small. However, it can be said that such an approach is very useful in view of the fact that there is actually an application that can sufficiently cope with multi-values if the resistance change ratio is half digits to one digit as in a nonvolatile memory, for example.

このような観点からペロフスカイト型マンガン酸化物薄膜について調べられた報告は皆無であるため、モット絶縁体における軌道整列相のホールドープ量に対する高温(室温以上)での境界条件を探索するには物理的な側面における考察が有用である。   From this point of view, there have been no reports on perovskite-type manganese oxide thin films, so a physical search for boundary conditions at high temperatures (above room temperature) relative to the amount of hole doping in orbital alignment phases in Mott insulators Consideration in various aspects is useful.

本願の発明者が抱いた疑問は、マンガン酸化物などのモット絶縁体において電子系の秩序の強固さを支配している機構は一体何であろうか、というものである。この疑問に取り組むことにより、本願発明者は、軌道整列における強固さが協同現象(cooperative phenomena)によるものであり、電子軌道の数に依存しているという仮説に思い至った。この仮説が正しいとすると、バルク結晶の形態では対処が困難であるほどに「強固」な電子系をもつマンガン酸化物であっても、薄膜に形成し軌道の数を十分に削減しさえすれば、上記トレードオフに対処することが可能となる可能性が高い。つまり、マンガン酸化物を薄膜の形態にすることにより、外場により制御可能な程度にまで上記「強固さ」を低下させうるのではないか、という考えに至る。これが本発明への着想を与えた背景となるコンセプトである。   The question the inventor of this application has is what is the mechanism that governs the robustness of the order of the electronic system in a Mott insulator such as manganese oxide. By addressing this question, the present inventor has come to the hypothesis that the robustness in orbital alignment is due to cooperative phenomena and depends on the number of electron orbitals. If this hypothesis is correct, even if the manganese oxide has a “strong” electron system that is difficult to deal with in the form of bulk crystals, it only has to be formed in a thin film and the number of orbits reduced sufficiently. There is a high possibility that it will be possible to deal with the above trade-off. That is, it is thought that the above-mentioned “strength” can be reduced to a degree that can be controlled by an external field by making the manganese oxide into a thin film form. This is the concept behind the idea of the present invention.

電荷整列や軌道整列といった強相関電子系において観察される現象は、協同現象であるとともに、電子相関の効果が大きい物質における多体効果(many-body effect)の一側面でもある。つまり、3d軌道を有するMn3+イオンを1つのみ含む単位胞を1つだけ対象とする限り、電荷や電子軌道が整列するという定義自体があてはまらない。そこで、単位胞が2個つながった系における電子状態を考えてみる。この場合、一方の単位胞の電子軌道の状態(軌道状態)ともう一方の単位胞の軌道状態とが互いに競合状態(competitive)となる。このため、両電子軌道が互いに整列したほうが系が安定であるなら軌道整列状態が実現し、整列していないほうが系が安定であるなら軌道整列状態は崩壊する。実際には、この2つの状態、つまり軌道整列状態が実現している状態と崩壊している状態とのエネルギー差は、2個の単位胞の系を安定的にどちらかの状態とするには小さ過ぎる可能性もある。Phenomena observed in strongly correlated electron systems, such as charge alignment and orbital alignment, are not only cooperative but also one aspect of the many-body effect in substances with a large electron correlation effect. In other words, as long as only one unit cell containing only one Mn 3+ ion having a 3d orbital is targeted, the definition itself that charges and electron orbits are aligned does not apply. Therefore, consider the electronic state in a system in which two unit cells are connected. In this case, the electron orbital state (orbital state) of one unit cell and the orbital state of the other unit cell are mutually competitive. For this reason, if the system is more stable when both electron orbits are aligned with each other, the orbital alignment state is realized. If the system is more stable when they are not aligned, the orbital alignment state is collapsed. Actually, the energy difference between these two states, that is, the state where the orbital alignment state is realized and the state where it is collapsed, makes the system of two unit cells stable in either state. It may be too small.

ところが系のサイズを大きくして、単位胞がN個(Nは2より十分大きい整数)存在するような系を考えてみる。その場合、N個の単位胞のうち1つの単位胞のみの軌道が他のN−1個の単位胞の軌道から異なっている状態に比べると、N個の単位胞に含まれる軌道すべてが整列しているほうが安定といえる。つまり、異なる軌道を整列させるように周囲のN−1個の単位胞から当該1つの単位胞の軌道に対して相互作用が働く。さらに、N個の単位胞のうちの数個の単位胞(a couple of unit cells)の軌道が他の単位胞の軌道と異なっている状態から比べても、N個の単位胞に含まれる軌道すべてが整列しているほうが安定である。このように、2個より十分に多数のN個の単位胞が存在する系においては、全体の軌道を整列させるように単位胞の軌道間に相互作用が働き、系全体が安定化される。   However, consider a system in which the size of the system is increased and there are N unit cells (N is an integer sufficiently larger than 2). In that case, all the orbitals contained in the N unit cells are aligned as compared with the state in which the trajectory of only one unit cell out of the N unit cells is different from the orbits of the other N-1 unit cells. It can be said that it is more stable. That is, an interaction works from the surrounding N−1 unit cells to the orbit of the one unit cell so as to align different orbits. Furthermore, even if the orbits of a couple of unit cells out of the N unit cells are different from the orbits of other unit cells, the orbits included in the N unit cells It is more stable if everything is aligned. In this way, in a system in which a sufficiently larger number of N unit cells than two exists, an interaction acts between the orbits of the unit cells so that the entire orbits are aligned, and the entire system is stabilized.

2単位胞およびN単位胞のそれぞれの上記性質からわかることは、電子系の安定性が電子系それ自体のサイズつまり単位胞の数に依存する、ということである。ここで、繰り返しになるが、電荷整列も軌道整列も電子相関が強い物質における協同現象によりもたらされるため、これらの整列は、いわば電子の自己組織化(self assembly)の所産といえる。したがって、電荷整列および軌道整列に対しては、単位胞の数自体が最も本質的役割を果たすのである。このように、協同現象である軌道整列における強固さが電子軌道の数に依存しているという上記仮説は、理論的にも十分な合理性を備えている。   What can be seen from the above properties of each of the two unit cells and the N unit cell is that the stability of the electron system depends on the size of the electron system itself, that is, the number of unit cells. Here, again, since both charge alignment and orbital alignment are brought about by a cooperative phenomenon in a material having a strong electron correlation, these alignments can be said to be the product of self-assembly of electrons. Therefore, the number of unit cells themselves plays the most essential role for charge alignment and orbital alignment. Thus, the above hypothesis that the robustness in orbital alignment, which is a cooperative phenomenon, depends on the number of electron orbitals has sufficient rationality theoretically.

本発明者はその考えをさらに進め、軌道整列相の秩序を維持する単位胞に関する次の事実に注目した。それは、モット絶縁体における軌道整列相では、Mn3+イオンにおけるe軌道である3x−rと3y−rが交互に配置されていることである。図2は、本実施形態のマンガン酸化物薄膜において電子が軌道秩序を有する場合において、X−Y面で3×3の単位胞に1つMn4+が平均的に配置された場合の配置状況を示す説明図である。軌道秩序を有する場合、図2に示すように、Mn3+イオンにおけるe軌道(3x−r)11とe軌道(3y−r)12とが交互に配置されている。なお、X−Y面は、マンガン酸化物薄膜2の結晶軸方向をX、Y、Z方向として特定する一つの面である。X−Y面で3×3の単位胞の集合に1つのMn4+が平均的に配置された場合、図2(a)に示すように、2×2個の単位胞の集合においてはMn3+のみが配置される。The present inventor has further advanced the idea, and has focused on the following facts relating to the unit cell that maintains the order of the orbital alignment phase. Which in orbit aligned phases Mott insulator is to 3x 2 -r 2 and 3y 2 -r 2 is e g orbitals in Mn 3+ ions are alternately arranged. FIG. 2 shows an arrangement state when one Mn 4+ is arranged on an average in a 3 × 3 unit cell on the XY plane when electrons have orbital order in the manganese oxide thin film of this embodiment. It is explanatory drawing shown. When having orbital order, as shown in FIG. 2, and e g orbitals (3x 2 -r 2) 11 and e g orbitals (3y 2 -r 2) 12 in the Mn 3+ ions are alternately arranged. The XY plane is one plane that specifies the crystal axis direction of the manganese oxide thin film 2 as the X, Y, and Z directions. When one Mn 4+ is arranged on an average in a set of 3 × 3 unit cells on the XY plane, as shown in FIG. 2A, in a set of 2 × 2 unit cells, Mn 3+ Only placed.

この際、図2(b)に示すように、2×2個の単位胞の集合において、Mn3+の電子軌道が軌道整列した配置となる。本願の発明者は2次元において軌道整列相を維持する最小単位に注目した。この最小単位は、図2(b)に示すような電子軌道の配置が得られる単位胞の集合、つまり、Mn3+イオンが2×2=4個並ぶものとなる。このような最小単位を、Mn4+が配置された結晶内に見出すことが常に可能である組成では、軌道整列相が維持される。At this time, as shown in FIG. 2B, in the set of 2 × 2 unit cells, the electron orbit of Mn 3+ is arranged in an orbital alignment. The inventors of the present application focused on the smallest unit that maintains the orbital alignment phase in two dimensions. This minimum unit is a set of unit cells that can obtain the arrangement of electron orbits as shown in FIG. 2B, that is, 2 × 2 = 4 Mn 3+ ions are arranged. In compositions where it is always possible to find such a minimal unit in a crystal in which Mn 4+ is arranged, the orbital alignment phase is maintained.

次に、このような配置が実現されるホールドープ量xの上限値について説明する。図3は、本実施形態のマンガン酸化物薄膜において、X−Y面で3×3の単位胞に1つMn4+が配置された場合のMn4+の配置状況を示す説明図であり、図3(a)は、平均的に配置された場合、図3(b)は、偏在して配置された場合である。図3(a)、(b)は、ともに、2次元のX−Y面においてx=1/9となる条件を示している。図中点線で囲んだ領域が3×3=9つの単位胞に対応する。軌道整列相においては、電子相は絶縁相であるため、Mn4+イオン(図中黒点を擁する四角)の配置は様々なパターンを取り得る。図3(a)には最も平均的に配置されたケース、(b)には最も偏在したケースをそれぞれ示した。いずれにおいても、Mn3+イオン(図中白抜きの四角)を含みMn4+イオンを含まない単位胞の集合として、2×2=4個の単位胞を配置することが可能であるとわかる。すなわち、2次元のX−Y面においてx=1/9とした場合には、Aサイトにおける3価の希土類カチオン(Ln)に対する2価のアルカリ土類(Ae)のばらつきの度合いに依存せず、軌道整列相の最小単位は実現する。このような考えはペロフスカイト型マンガン酸化物薄膜における平均自由工程がほぼ単位胞程度であるという事実にも対応する。すなわち強い電子相関のためキャリアの遍歴性が著しく小さいことを利用するものである。Next, the upper limit value of the hole doping amount x that realizes such an arrangement will be described. FIG. 3 is an explanatory diagram showing an arrangement state of Mn 4+ when one Mn 4+ is arranged in a 3 × 3 unit cell on the XY plane in the manganese oxide thin film of the present embodiment. (A) is a case where it arranges on average, FIG.3 (b) is a case where it arranges unevenly. FIGS. 3A and 3B both show conditions for x = 1/9 in the two-dimensional XY plane. A region surrounded by a dotted line in the figure corresponds to 3 × 3 = 9 unit cells. In the orbital alignment phase, since the electronic phase is an insulating phase, the arrangement of Mn 4+ ions (squares having black dots in the figure) can take various patterns. FIG. 3A shows the most averaged case, and FIG. 3B shows the most unevenly distributed case. In any case, 2 × 2 = 4 unit cells can be arranged as an assembly of unit cells containing Mn 3+ ions ( open squares in the figure) and not containing Mn 4+ ions. That is, when x = 1/9 in the two-dimensional XY plane, it does not depend on the degree of variation of the divalent alkaline earth (Ae) with respect to the trivalent rare earth cation (Ln) at the A site. The minimum unit of orbital alignment phase is realized. Such an idea corresponds to the fact that the mean free path in the perovskite-type manganese oxide thin film is about the unit cell. In other words, the fact that the itinerant nature of carriers is extremely small due to strong electron correlation is utilized.

実際の3次元での配置を考えると、2次元を例に説明しx=1/9となった状況には修正が必要である。図4は、本実施形態のマンガン酸化物薄膜において、X−Y面で3×3の単位胞、かつZ方向に複数の単位胞で占められた領域に1つのMn4+が配置された状況を示す説明図である。図4(a)は、Z方向に2つの単位胞にMn4+が平均的に配置された様子、図4(b)は、Z方向に2つの単位胞にMn4+が偏在して配置された様子、図4(c)は、Z方向に3つの単位胞にMn4+が平均的に配置された様子、そして、図4(d)は、Z方向に3つの単位胞にMn4+が偏在して配置された様子をそれぞれ示している。Considering the actual three-dimensional arrangement, the description will be made taking the two-dimensional case as an example, and correction is necessary for the situation where x = 1/9. FIG. 4 shows a situation in which one Mn 4+ is arranged in a region occupied by 3 × 3 unit cells in the XY plane and a plurality of unit cells in the Z direction in the manganese oxide thin film of this embodiment. It is explanatory drawing shown. FIGS. 4 (a) shows a state that Mn 4+ two unit cell in the Z direction is averaged arranged, FIG. 4 (b), Mn 4+ are arranged unevenly on two unit cell in the Z-direction FIG. 4 (c) shows that Mn 4+ is averagely arranged in three unit cells in the Z direction, and FIG. 4 (d) shows that Mn 4+ is unevenly distributed in three unit cells in the Z direction. It shows how they are arranged.

図4(a)、(b)には、それぞれ図3(a)、(b)に対応させてZ方向に2単位胞を想定した状況を示している(図中点線で囲んだ領域)。この場合、Z方向に沿ってMn4+イオンの並ぶ線上ではMn4+イオンとMn3+イオンが交互に配置される。このため、この線上ではMn3+イオンが2×2=4個配置するという条件が満たされず軌道整列相は不安定となる。しかし、その交互の配置を取り囲む位置には、Mn3+イオンが2×2=4個配置したモット絶縁体が存在するため、Mn4+イオンとMn3+イオンの交互配置は1次元となる。結局、図4(a)、(b)に示す状況では、マンガン酸化物薄膜は全体としては金属化しない。この状況はX−Y面の3×3にZ方向の2倍をかけた18単位胞の集合の範囲にMn4+イオンが1つだけ存在する状況、つまり、x=1/18のホールドープ濃度に対応している。したがって、x=1/18のホールドープ濃度では、軌道整列相での抵抗は低くなるものの、絶縁体金属転移に必要とされる外場の閾値は低減されるものと考えられる。FIGS. 4 (a) and 4 (b) show a situation where two unit cells are assumed in the Z direction corresponding to FIGS. 3 (a) and 3 (b), respectively (region surrounded by a dotted line in the figure). In this case, Mn 4+ ions and Mn 3+ ions are alternately arranged on a line in which Mn 4+ ions are arranged along the Z direction. For this reason, the condition that 2 × 2 = 4 Mn 3+ ions are arranged on this line is not satisfied, and the orbital alignment phase becomes unstable. However, since there is a Mott insulator in which 2 × 2 = 4 Mn 3+ ions are arranged at positions surrounding the alternate arrangement, the alternate arrangement of Mn 4+ ions and Mn 3+ ions is one-dimensional. Eventually, in the situation shown in FIGS. 4A and 4B, the manganese oxide thin film is not metallized as a whole. This is a situation where there is only one Mn 4+ ion in the range of 18 unit cells that are 3 × 3 of the XY plane multiplied by 2 times in the Z direction, that is, a hole doping concentration of x = 1/18. It corresponds to. Therefore, at the hole doping concentration of x = 1/18, although the resistance in the orbital alignment phase is low, the external field threshold required for the insulator-metal transition is considered to be reduced.

さらに、図4(c)、(d)には、図3(a)、(b)に対応したZ方向に3単位胞想定した状況を示す(図中点線で囲んだ領域)。今度は、Z方向に沿ってもMn3+イオンが必ず隣り合う。このため、x=1/18のホールドープ濃度で見られたような1次元のMn4+イオンとMn3+イオンの交互配置はなくなる。この状況は、X−Y面の3×3にZ方向の3倍をかけた27単位胞の集合のうちにMn4+イオンが1つだけ存在する状況、つまり、x=1/27のホールドープ濃度に対応している。この場合、3次元配置で常にMn3+イオンが2×2=4個配置するという条件が満たされるため、軌道整列相はより安定に維持される。その結果、x=1/27のホールドープ濃度では、x=1/18よりも、軌道整列相の抵抗値が高く、絶縁体金属転移に必要とされる外場の閾値は高くなるものと考えられる。Further, FIGS. 4C and 4D show a situation in which three unit cells are assumed in the Z direction corresponding to FIGS. 3A and 3B (region surrounded by a dotted line in the figure). This time, Mn 3+ ions are always adjacent to each other even in the Z direction. For this reason, the one-dimensional Mn 4+ ions and Mn 3+ ions are not alternately arranged as seen at the hole doping concentration of x = 1/18 . This situation is that there is only one Mn 4+ ion in a set of 27 unit cells obtained by multiplying 3 × 3 of the XY plane by 3 times the Z direction, that is, a hole of x = 1/27. Corresponds to the dope concentration. In this case, since the condition that 2 × 2 = 4 Mn 3+ ions are always arranged in a three-dimensional arrangement is satisfied, the orbital alignment phase is maintained more stably. As a result, at the hole doping concentration of x = 1/27, it is considered that the resistance value of the orbital alignment phase is higher than that of x = 1/18, and the threshold value of the external field required for the insulator-metal transition is increased. It is done.

[1−3 (110)面方位、(210)面方位の場合]
上述したホールドープ量に対する軌道整列相の最小単位の維持という考えはAサイトのイオンの種類、すなわち電気伝導性に影響するバンド幅によらず成立する。しかも、図1に示した(110)あるいは(210)面方位基板上の薄膜や積層体においても成立する。
[1-3 (110) plane orientation, (210) plane orientation]
The idea of maintaining the minimum unit of the orbital alignment phase with respect to the amount of hole doping described above is valid regardless of the type of ions at the A site, that is, the bandwidth affecting the electrical conductivity. Moreover, this is also true for the thin film or laminated body on the (110) or (210) plane orientation substrate shown in FIG.

図5は、本実施形態の(110)面方位基板に形成したマンガン酸化物薄膜20中における単位胞の集合の様子を説明する説明図である。図5(a)は[001]軸方位から、また、図5(b)は[1−10]軸方位にむかってみた断面図である。図5(a)に示すように、(110)面すなわち図5(a)の紙面上の左右方向に延びる平面を表面として有する基板1の面の上に形成されるマンガン酸化物薄膜20では、膜厚方向(図5(a)の紙面上の上下方向)に成長する際にエピタキシャル成長する。そのため、図3に基づいて説明した結晶方位も傾斜することとなって、単位胞の集合はその傾斜した結晶に基づいて説明される。そして、図5(a)に示したように、図3(a)の単位胞の配置は、基板1に垂直で[1−10]軸を含む面である図5(a)の紙面において成立する。図4(c)の単位胞の配置は、[001]軸方向の配置であるため、図5(b)に示すように、[001]軸の方向にMn4+の単位胞が分布する。なお、白抜き丸印は、[1−10]軸でみて黒丸の示すMn4+とは異なる位置のMn4+を示している。FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining the state of unit cells in the manganese oxide thin film 20 formed on the (110) plane orientation substrate of the present embodiment. 5A is a cross-sectional view taken from the [001] axis direction, and FIG. 5B is a cross-sectional view taken from the [1-10] axis direction. As shown in FIG. 5A, in the manganese oxide thin film 20 formed on the surface of the substrate 1 having the (110) plane, that is, the plane extending in the left-right direction on the paper surface of FIG. When growing in the film thickness direction (vertical direction on the paper surface of FIG. 5A), epitaxial growth occurs. Therefore, the crystal orientation described based on FIG. 3 is also inclined, and the assembly of unit cells is described based on the inclined crystal. As shown in FIG. 5A, the arrangement of unit cells in FIG. 3A is established on the paper surface of FIG. 5A, which is a plane perpendicular to the substrate 1 and including the [1-10] axis. To do. Since the arrangement of the unit cells in FIG. 4C is the arrangement in the [001] axis direction, as shown in FIG. 5B, the unit cells of Mn 4+ are distributed in the direction of the [001] axis. Incidentally, the white circle indicates the Mn 4+ in a position different from the Mn 4+ indicated by the black circle as viewed in [1-10] axis.

図6は、本実施形態の(210)面方位基板に形成したマンガン酸化物薄膜21中における単位胞の集合の様子を説明する説明図である。図6(a)は[001]軸方位から、また、図6(b)は[1−20]軸方位にむかってみた断面図である。この場合にも、図3に基づいて説明した結晶方位が傾斜するため、単位胞の集合はその傾斜した結晶に基づいて説明される。そして、図6(a)に示したように、図3(a)の単位胞の配置は、基板1に垂直で[1−20]軸を含む面である図6(a)の紙面において成立する。図4(c)の単位胞の配置は、[001]軸方向の配置であるため、図6(b)に示すように、[001]軸の方向にMn4+の単位胞が分布する。FIG. 6 is an explanatory diagram for explaining a state of unit cell aggregation in the manganese oxide thin film 21 formed on the (210) plane orientation substrate of the present embodiment. 6A is a cross-sectional view taken from the [001] axis direction, and FIG. 6B is a cross-sectional view taken from the [1-20] axis direction. Also in this case, since the crystal orientation described based on FIG. 3 is inclined, the unit cell assembly is described based on the inclined crystal. As shown in FIG. 6A, the arrangement of unit cells in FIG. 3A is established on the paper surface of FIG. 6A, which is a plane perpendicular to the substrate 1 and including the [1-20] axis. To do. Since the arrangement of unit cells in FIG. 4C is an arrangement in the [001] axis direction, Mn 4+ unit cells are distributed in the [001] axis direction as shown in FIG. 6B.

なお、ここで単位胞とは擬立方晶としての単位胞であり、基板の格子定数も同様に擬立方晶でのものであることを付記しておく。   It should be noted that the unit cell is a unit cell as a pseudo-cubic crystal, and the lattice constant of the substrate is similarly a pseudo-cubic crystal.

[1−4 積層化による検知性の向上(次元クロスオーバー)]
マンガン酸化物などのモット絶縁体を上記のように薄膜に形成すると、その特性の変化を外部から検知しにくい場合がある。この問題は必ずしも常に生じるとはいえない。もしその問題が、電気的な性質を反映する電子の伝導度に表われるドルーデ(Drude)成分、つまり直流抵抗の成分に関連して生じることがあるならば、それは系の低次元性(薄膜の場合は二次元性)に起因しキャリア(電子)が局在化するような場合であるといえる。例えば、マンガン酸化物薄膜2が薄膜であることから、二次元の領域の一部において電子が局在化し伝導性を低下させることが起こりうる。この問題への対策として、本実施形態においては、次元クロスオーバー(dimension crossover)という仕掛けを利用することが好ましい。
[1-4 Improvement of detectability by stacking (dimensional crossover)]
When a Mott insulator such as manganese oxide is formed on a thin film as described above, it may be difficult to detect a change in characteristics from the outside. This problem does not always occur. If the problem can arise in relation to the Drude component, which is the DC resistance component, which appears in the conductivity of the electrons reflecting the electrical properties, it is the low-dimensional nature of the system (thin film In this case, it can be said that carriers (electrons) are localized due to two-dimensionality. For example, since the manganese oxide thin film 2 is a thin film, it is possible that electrons are localized in a part of the two-dimensional region and conductivity is lowered. As a countermeasure against this problem, in the present embodiment, it is preferable to use a mechanism called dimension crossover.

ここで、上記マンガン酸化物薄膜2に接して形成する薄膜、つまり、上記マンガン酸化物薄膜2に連続するように形成する強相関酸化物薄膜3(図7)について説明する。この強相関酸化物薄膜3は、モット転移する上記マンガン酸化物とは別の材質であり次元クロスオーバーを利用するために追加される層である。一般に、強相関酸化物薄膜3において、金属相を安定させたり、金属絶縁体転移が実現したりするためには、その薄膜はある程度より厚く形成されていることが望ましい。強相関酸化物薄膜3の膜厚があまりに薄いと安定した金属相や金属絶縁体転移が実現しにくくなるためである。すなわち、強相関酸化物薄膜3を、ある臨界値となる厚み(以下「臨界膜厚(critical thickness)」という)に比べてより厚く形成する場合に、強相関酸化物には金属相が実現したり金属絶縁体転移が実現したりする。その意味において、臨界膜厚とは、上記の金属相が安定に存在するため、または、金属絶縁体転移が発現するために好ましい強相関酸化物の膜厚の下限値ともいえる。この強相関酸化物薄膜3と上記マンガン酸化物薄膜2とが互いに接してつまり連続して基板上に形成された酸化物積層体の構成を考えてみよう。   Here, the thin film formed in contact with the manganese oxide thin film 2, that is, the strongly correlated oxide thin film 3 (FIG. 7) formed so as to be continuous with the manganese oxide thin film 2 will be described. The strongly correlated oxide thin film 3 is a layer that is a material different from the manganese oxide that undergoes Mott transition and is added in order to use dimensional crossover. In general, in the strongly correlated oxide thin film 3, in order to stabilize the metal phase or to realize the metal-insulator transition, it is desirable that the thin film is formed to be thicker to some extent. This is because if the thickness of the strongly correlated oxide thin film 3 is too thin, it is difficult to realize a stable metal phase or metal-insulator transition. That is, when the strongly correlated oxide thin film 3 is formed thicker than a certain critical thickness (hereinafter referred to as “critical thickness”), a metal phase is realized in the strongly correlated oxide. Or metal-insulator transition. In that sense, the critical film thickness can be said to be a lower limit value of the film thickness of a strongly correlated oxide that is preferable because the above-described metal phase is stably present or metal-insulator transition occurs. Consider the structure of an oxide laminate in which the strongly correlated oxide thin film 3 and the manganese oxide thin film 2 are in contact with each other, that is, continuously formed on the substrate.

図7は、本実施形態における強相関酸化物薄膜3を接して作製したマンガン酸化物薄膜2を含む酸化物積層体の一例の構成を示す概略断面図である。図7(a)はマンガン酸化物薄膜2の基板側に強相関酸化物薄膜3を形成した例であり、図7(b)はマンガン酸化物薄膜2の表面に強相関酸化物薄膜3を形成した例である。この酸化物積層体は、基板1の面の上にまず強相関薄膜3を形成しその後にマンガン酸化物薄膜2を形成しても(図7(a))、逆に、基板1の面の上に先にマンガン酸化物薄膜2を形成しその後に強相関薄膜3を形成しても(図7(b))、どちらの構成も採用することが可能である。さらにここでは、酸化物積層体全体の厚さt、マンガン酸化物薄膜2の厚さtm、強相関酸化物薄膜3の厚さt1が、強相関酸化物薄膜3の金属相の臨界膜厚tcに対して、
t=tm+t1>tc、かつt1<tc
を満たすものとする。例えば、強相関酸化物薄膜3の臨界膜厚tc(室温で金属相となるものとする)としては強磁性金属であるLa0.7Sr0.3MnO薄膜を用いた場合、8単位胞(約3nm)となる。また、ペロフスカイト型マンガン酸化物薄膜が金属に転移した際には局在化していた単位胞あたり1つの電子が試料全体に伝搬することになることを考慮に入れると、それを補償するためにLa0.7Sr0.3MnO薄膜のホール濃度がより大きいものが望ましく、例えばLa0.5Sr0.5MnO薄膜などを用いることが好適となる。より具体的にはペロフスカイト型マンガン酸化物薄膜の厚みと酸化物積層体の厚みの比から見積もることができる。
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of an example of an oxide laminate including the manganese oxide thin film 2 produced by contacting the strongly correlated oxide thin film 3 in the present embodiment. FIG. 7A shows an example in which the strongly correlated oxide thin film 3 is formed on the substrate side of the manganese oxide thin film 2, and FIG. 7B shows the formation of the strongly correlated oxide thin film 3 on the surface of the manganese oxide thin film 2. This is an example. In this oxide laminate, the strongly correlated thin film 3 is first formed on the surface of the substrate 1 and then the manganese oxide thin film 2 is formed (FIG. 7A). Even if the manganese oxide thin film 2 is formed first and then the strong correlation thin film 3 is formed (FIG. 7B), either configuration can be employed. Further, here, the total thickness t of the oxide stack, the thickness tm of the manganese oxide thin film 2, and the thickness t1 of the strongly correlated oxide thin film 3 are the critical film thickness tc of the metal phase of the strongly correlated oxide thin film 3. Against
t = tm + t1> tc and t1 <tc
Shall be satisfied. For example, as the critical film thickness tc of the strongly correlated oxide thin film 3 (assuming that it becomes a metal phase at room temperature), when a La 0.7 Sr 0.3 MnO 3 thin film that is a ferromagnetic metal is used, 8 unit cells (About 3 nm). In addition, when the perovskite-type manganese oxide thin film is transferred to the metal, it takes into account that one electron per unit cell that has been localized propagates to the entire sample. A 0.7 Sr 0.3 MnO 3 thin film having a higher hole concentration is desirable. For example, a La 0.5 Sr 0.5 MnO 3 thin film is preferably used. More specifically, it can be estimated from the ratio between the thickness of the perovskite-type manganese oxide thin film and the thickness of the oxide laminate.

このような厚みの関係を満たすように各層が形成されていると、マンガン酸化物薄膜2が絶縁体金属転移であるモット転移を外場印加により起こす際、強相関酸化物薄膜3に局在していたキャリアは、それまで感じていたt1という膜厚ではなく、t=tm+t1を感じることとなる。ここで、t1はtcに満たないのに対し、tはtcを越える。すなわち、マンガン酸化物薄膜2がモット転移により絶縁体から金属に転移すると、その効果が強相関酸化物薄膜3の転移にも反映されて検知性が高まるのである。これが次元クロスオーバーの原理である。この次元クロスオーバーを利用すると、モット転移による電気抵抗変化を電流として取り出すことが容易となる。つまり、より弱い外場によるスイッチングを実現するために、マンガン酸化物薄膜2の膜厚を、電流による検知可能性を確保するのに要求される下限を下回る厚みに作製したとしても、強相関酸化物薄膜3の助けを借りて電流による検知が可能となるのである。もちろん、その際にはモット絶縁体のキャリアは、電流を増大させて検知性を高める作用をも有する。なお、強相関酸化物薄膜3を利用する次元クロスオーバーの作用は、マンガン酸化物薄膜2の第1マンガン酸化物薄膜20と第2マンガン酸化物薄膜21のいずれに接して配置されていても、その作用に違いはない。   When each layer is formed so as to satisfy such a thickness relationship, the manganese oxide thin film 2 is localized in the strongly correlated oxide thin film 3 when the Mott transition which is an insulator metal transition is caused by external field application. The carrier that had been felt will feel t = tm + t1 instead of the film thickness t1 that has been felt so far. Here, t1 is less than tc, whereas t exceeds tc. That is, when the manganese oxide thin film 2 is transferred from the insulator to the metal by the Mott transition, the effect is reflected in the transition of the strongly correlated oxide thin film 3 and the detectability is enhanced. This is the principle of dimensional crossover. When this dimensional crossover is used, it becomes easy to take out a change in electrical resistance due to Mott transition as a current. In other words, in order to realize switching due to a weaker external field, even if the thickness of the manganese oxide thin film 2 is made to be less than the lower limit required to ensure the detectability by current, strong correlation oxidation is performed. It is possible to detect the current with the help of the physical thin film 3. Of course, in that case, the carrier of the Mott insulator also has an effect of increasing the current and enhancing the detectability. Note that the dimensional crossover effect using the strongly correlated oxide thin film 3 is arranged in contact with either the first manganese oxide thin film 20 or the second manganese oxide thin film 21 of the manganese oxide thin film 2, There is no difference in its action.

さらに好ましくは、この次元クロスオーバーを一層効果的に作用させるため、強相関酸化物薄膜を、片側ではなくマンガン酸化物薄膜2の両面に接触させて形成する。図8は、本実施形態において強相関酸化物薄膜31、32をマンガン酸化物薄膜2の両面に接触させて形成した酸化物積層体の一例の概略断面図である。すなわち、酸化物積層体全体の厚さt、マンガン酸化物薄膜2の厚さtm、第1の強相関酸化物薄膜31の厚さt1、第2の強相関酸化物薄膜32の厚さt2が、強相関酸化物薄膜31、32の金属相の臨界膜厚tcに対して
t=tm+t1+t2>tc、かつ、max(t1、t2)<tc
の関係を満たすものとする。ただし、max()は、変数のうちの最大値を返す関数である。このようにマンガン酸化物薄膜2の両面に強相関酸化物薄膜を接触させて形成すると、上記次元クロスオーバーの効果がより効果的に発揮される。つまりマンガン酸化物薄膜2の厚みtmが、片側のみに強相関酸化物薄膜を配置する場合よりも一層薄くてもよいこととなる。その結果、より弱い外場によるスイッチングが実現される。
More preferably, in order to make this dimensional crossover work more effectively, the strongly correlated oxide thin film is formed in contact with both sides of the manganese oxide thin film 2 instead of one side. FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of an example of an oxide laminate formed by bringing the strongly correlated oxide thin films 31 and 32 into contact with both surfaces of the manganese oxide thin film 2 in the present embodiment. That is, the total thickness t of the oxide stack, the thickness tm of the manganese oxide thin film 2, the thickness t1 of the first strongly correlated oxide thin film 31, and the thickness t2 of the second strongly correlated oxide thin film 32 are: T = tm + t1 + t2> tc and max (t1, t2) <tc with respect to the critical film thickness tc of the metal phase of the strongly correlated oxide thin films 31 and 32
Satisfy the relationship. Here, max () is a function that returns the maximum value of variables. Thus, when the strongly correlated oxide thin film is formed in contact with both sides of the manganese oxide thin film 2, the effect of the dimension crossover is more effectively exhibited. That is, the thickness tm of the manganese oxide thin film 2 may be thinner than that in the case where the strongly correlated oxide thin film is disposed only on one side. As a result, switching with a weaker external field is realized.

[2 実施例]
次に、本実施形態をより具体的な実施例に基づいて説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順、要素または部材の向きや具体的配置、そして測定のために採用する外場等は本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することかできる。したがって、本発明の範囲は以下の具体例に限定されるものではない。また、引き続き各図を適宜参照して説明する。
[2 Examples]
Next, the present embodiment will be described based on more specific examples. The materials, amounts used, ratios, processing contents, processing procedures, orientations and specific arrangements of elements or members, and external fields adopted for measurement shown in the following examples are appropriately changed without departing from the spirit of the present invention. I can do it. Therefore, the scope of the present invention is not limited to the following specific examples. Further, description will be continued with reference to each drawing as appropriate.

[2−1 実施例1]
さて、以下では、(110)基板に形成したペロフスカイト型マンガン酸化物薄膜20としてPr1−xCaMnO(x=1/27および1/18、以下、それぞれをPCMO(27)およびPCMO(18)と表記する)、強相関酸化物薄膜31、32としてLa0.5Sr0.5MnO(以下、LSMOと表記する)、基板1として(LaAlO0.3−(SrAl0.5Ta0.50.7すなわちLSATの(110)面方位基板を用いて、ペロフスカイト型マンガン酸化物薄膜2の上下を強相関酸化物薄膜で挟んだ例(図8)について具体的に説明する。
[2-1 Example 1]
Now, in the following, Pr 1-x Ca x MnO 3 (x = 1/27 and 1/18 as perovskite-type manganese oxide thin film 20 formed on the (110) substrate, respectively, PCMO (27) and PCMO ( 18) and denoted), La 0.5 Sr 0.5 MnO 3 ( hereinafter as strongly correlated oxide thin film 31 and 32, referred to as LSMO), as the substrate 1 (LaAlO 3) 0.3 - ( SrAl 0. 5 Ta 0.5 O 3 ) 0.7, that is, an example (FIG. 8) in which a perovskite-type manganese oxide thin film 2 is sandwiched between strongly correlated oxide thin films using a (110) plane orientation substrate of LSAT Explained.

まず薄膜の作製方法について説明する。ペロフスカイト型マンガン酸化物薄膜2、強相関酸化物薄膜31、32はレーザーアブレーション法により作製した。ターゲットには固相反応法で作製した多結晶材料をφ20mm×5mmの円筒形に成形したものを用いた。まず、LSAT(110)基板である基板1を真空チャンバー内に取り付けた後、3×10-9Torr(4×10−7Pa)以下に真空排気した。その後、高純度の酸素ガスを1mTorr導入し、到達温度900℃になるように基板を加熱した。First, a method for manufacturing a thin film will be described. The perovskite-type manganese oxide thin film 2 and the strongly correlated oxide thin films 31 and 32 were produced by a laser ablation method. As the target, a polycrystalline material produced by a solid phase reaction method and formed into a cylindrical shape of φ20 mm × 5 mm was used. First, the substrate 1 which is an LSAT (110) substrate was mounted in a vacuum chamber and then evacuated to 3 × 10 −9 Torr (4 × 10 −7 Pa) or less. Thereafter, high purity oxygen gas was introduced at 1 mTorr, and the substrate was heated to reach an ultimate temperature of 900 ° C.

次に、波長248nmのKrFエキシマレーザを、チャンバーのレーザー光導入ポートを介してLSMOのターゲットに照射することにより、第1の強相関酸化物薄膜31としてLSMO薄膜を8原子層だけ形成した。なお、ここでの原子層は、1原子層が(110)面間隔d(110)となるものである。また、膜厚つまり原子層数の制御は、事前に検討したレーザーパルスのショット数と原子層数との間の関係に基づいて決定したものである。引き続き同一雰囲気中で、ペロフスカイト型マンガン酸化物薄膜2としてPCMO(27)あるいはPCMO(18)薄膜を10原子層作製した。そして、第2の強相関酸化物薄膜32として、さらにLSMO薄膜を8原子層作製した。強相関酸化物薄膜LSMOの厚みt1は4単位胞(約2.2nm)、ペロフスカイト型マンガン酸化物薄膜PCMO(27)あるいはPCMO(18)の厚みtmは5単位胞(約2.7nm)強相関酸化物薄膜LSMOの厚みt2は5単位胞(約2.2nm)、薄膜試料全体の厚みは7.1nmである。すなわちt=tm+t1+t2>tc、かつmax(t1、t2)<tcの関係が満たされている。   Next, an LSMO thin film of only eight atomic layers was formed as the first strongly correlated oxide thin film 31 by irradiating the LSMO target with a KrF excimer laser having a wavelength of 248 nm through the laser beam introduction port of the chamber. Here, the atomic layer is one in which one atomic layer has a (110) spacing d (110). Further, the control of the film thickness, that is, the number of atomic layers, is determined based on the relationship between the number of shots of the laser pulse and the number of atomic layers studied in advance. Subsequently, 10 atomic layers of PCMO (27) or PCMO (18) thin film were produced as the perovskite-type manganese oxide thin film 2 in the same atmosphere. Then, as the second strongly correlated oxide thin film 32, an LSMO thin film was further formed in an 8 atomic layer. The strongly correlated oxide thin film LSMO has a thickness t1 of 4 unit cells (about 2.2 nm), and the perovskite-type manganese oxide thin film PCMO (27) or PCMO (18) has a thickness tm of 5 unit cells (about 2.7 nm). The thickness t2 of the oxide thin film LSMO is 5 unit cells (about 2.2 nm), and the total thickness of the thin film sample is 7.1 nm. That is, the relationship of t = tm + t1 + t2> tc and max (t1, t2) <tc is satisfied.

続いて、作製したマンガン酸化物薄膜2を含む酸化物積層体に4端子電極を形成し、室温(300K)にて磁気抵抗測定を行った。外場として磁場を採用したのは測定が容易なためである。この測定における試料の抵抗値は、PCMO(27)を含む酸化物積層体では2.0Tの磁場印加により抵抗が低減し11倍の抵抗比、PCMO(18)を含む酸化物積層体では1.0Tの磁場印加により抵抗が低減し7倍の抵抗比が得られた。このように、ドープ量xが増大するにつれて、絶縁体金属転移による抵抗変化比は低減するものの、室温でのスイッチングが可能であった。   Subsequently, a four-terminal electrode was formed on the oxide laminate including the produced manganese oxide thin film 2, and a magnetoresistance measurement was performed at room temperature (300K). The reason for adopting a magnetic field as the external field is that measurement is easy. The resistance value of the sample in this measurement is as follows: the resistance is reduced by applying a magnetic field of 2.0 T in the oxide laminate including PCMO (27) and the resistance ratio is 11 times, and that in the oxide laminate including PCMO (18) is 1. Resistance was reduced by applying a magnetic field of 0 T, and a resistance ratio of 7 times was obtained. As described above, as the doping amount x increases, the resistance change ratio due to the insulator-metal transition decreases, but switching at room temperature is possible.

[2−2 実施例2]
次に、実施例2として、(210)面方位基板を利用してペロフスカイト型マンガン酸化物薄膜21としてPr1−xCaMnOを、同様に、x=1/27と1/18について作製した。これらを引き続き、PCMO(27)とPCMO(18)と表記する。実施例1との違いは、基板1としてLSAT(210)面方位基板を利用した点と、各層の膜厚である。LSAT(210)面方位基板は、事前に電気炉にて大気中1100℃で熱処理することにより、原子層レベルで平坦な基板面とした。また、強相関酸化物薄膜31は15原子層(約2.6nm)、マンガン酸化物薄膜21は6原子層(約1.1nm)、強相関酸化物薄膜32は15原子層(約2.6nm)とした。なお、ここでの原子層は、1原子層が(210)面間隔d(210)となるものである。
[2-2 Example 2]
Next, as Example 2, Pr 1-x Ca x MnO 3 was produced as a perovskite-type manganese oxide thin film 21 using a (210) plane orientation substrate, and similarly x = 1/27 and 1/18. did. These are subsequently denoted as PCMO (27) and PCMO (18). The difference from Example 1 is that a LSAT (210) plane orientation substrate is used as the substrate 1 and the film thickness of each layer. The LSAT (210) plane orientation substrate was preliminarily heat-treated in the atmosphere at 1100 ° C. in an electric furnace to form a flat substrate surface at the atomic layer level. The strongly correlated oxide thin film 31 has a 15 atomic layer (about 2.6 nm), the manganese oxide thin film 21 has a 6 atomic layer (about 1.1 nm), and the strongly correlated oxide thin film 32 has a 15 atomic layer (about 2.6 nm). ). Here, the atomic layer is one in which one atomic layer has a (210) spacing d (210).

続いて、実施例1と同様にして室温(300K)にて磁気抵抗測定を行った。この測定における試料の抵抗値は、PCMO(27)を含む酸化物積層体では2.2Tの磁場印加により抵抗が低減し9倍の抵抗比、PCMO(18)を含む酸化物積層体では1.1Tの磁場印加により抵抗が低減し5倍の抵抗比が得られた。   Subsequently, the magnetoresistance was measured at room temperature (300 K) in the same manner as in Example 1. The resistance value of the sample in this measurement is as follows. In the oxide laminate including PCMO (27), the resistance is reduced by applying a magnetic field of 2.2 T, the resistance ratio is 9 times, and in the oxide laminate including PCMO (18), 1. The resistance was reduced by applying a 1T magnetic field, and a resistance ratio of 5 times was obtained.

以上説明したように、室温でスイッチングが実現可能なペロフスカイト型マンガン酸化物薄膜および酸化物積層体が実現可能となる。なお、本実施形態で例示した薄膜や基板の材料やその組成、膜厚、形成方法、外場の種類、印加方法等は、上記実施形態に限定されるものではない。   As described above, a perovskite-type manganese oxide thin film and oxide stack that can be switched at room temperature can be realized. In addition, the material of the thin film and the substrate exemplified in the present embodiment, the composition, the film thickness, the formation method, the type of the external field, the application method, and the like are not limited to the above embodiment.

[本実施形態の変形例]
本実施形態は、実施例を含め明示したもの以外のマンガン酸化物薄膜や酸化物積層体の構成によっても実施することは可能である。
[Modification of this embodiment]
This embodiment can also be carried out with a structure of a manganese oxide thin film or an oxide laminate other than those explicitly shown in the examples.

マンガン酸化物薄膜20、21となるマンガン酸化物は、それぞれが複数種のランタノイド元素Lnを含む材質とすることができる。この場合であっても、全域固溶である2種類の固溶体のみに限られない。なお、複数のランタノイドのマンガン酸化物を採用するためには、実施例として上述した各実施例と同様のレーザーアブレーションにおいてターゲットを所望の比率に作製しておくことにより、マンガン酸化物薄膜の組成比を調整することが可能である。   Each of the manganese oxides to be the manganese oxide thin films 20 and 21 can be made of a material containing a plurality of types of lanthanoid elements Ln. Even in this case, the present invention is not limited to only two types of solid solutions that are solid solutions in the entire region. In order to employ a plurality of lanthanoid manganese oxides, the composition ratio of the manganese oxide thin film is obtained by preparing the target in a desired ratio in laser ablation similar to each example described above as an example. Can be adjusted.

また、強相関酸化物薄膜3の膜厚や、第1の強相関酸化物薄膜31および第2の強相関酸化物薄膜32の膜厚の組合せについても、特段の制約はない。これらの膜厚については、上述したように次元クロスオーバーにより検出を容易化するには不等式によって明示した上述の関係を充足することが好適である。それ以外にも、例えば強相関酸化物薄膜3や第1の強相関酸化物薄膜31、第2の強相関酸化物薄膜32が生じさせる追加のひずみの作用を調整するためといった実用面から、これらの膜の膜厚を調整することができる。   Further, there is no particular limitation on the combination of the thickness of the strongly correlated oxide thin film 3 and the thickness of the first strongly correlated oxide thin film 31 and the second strongly correlated oxide thin film 32. About these film thicknesses, in order to facilitate detection by dimensional crossover as described above, it is preferable to satisfy the above-described relationship specified by the inequality. In addition to these, from the practical aspect, for example, for adjusting the action of the additional strain generated by the strongly correlated oxide thin film 3, the first strongly correlated oxide thin film 31, and the second strongly correlated oxide thin film 32. The film thickness of the film can be adjusted.

さらに加えて、上述したとおり、実施例はモット転移を外部から検出する動作を次元クロスオーバーによって容易にするために強相関酸化物薄膜を付加したものである。しかし、マンガン酸化物薄膜2のみにて実施された場合であっても、室温においてモット転移を外場により制御するというスイッチング機能自体は実現されている。なぜなら、次元クロスオーバーは、電気的な検出を容易にする手段に過ぎず、マンガン酸化物薄膜2において実現するモット転移は強相関酸化物薄膜がなくとも生じるためである。   In addition, as described above, in the embodiment, a strongly correlated oxide thin film is added to facilitate the operation of detecting the Mott transition from the outside by dimensional crossover. However, even when implemented with only the manganese oxide thin film 2, the switching function itself of controlling the Mott transition by an external field at room temperature is realized. This is because the dimensional crossover is only a means for facilitating electrical detection, and the Mott transition realized in the manganese oxide thin film 2 occurs even without a strongly correlated oxide thin film.

そして、基板1についても本実施形態にて例示したもの以外の構成とすることができる。例えば、それ自体はペロフスカイト構造を取らない結晶体、例えばシリコン単結晶基板に、適当なバッファー層を形成した基板を採用することも排除されない。これは、そのような基板の面の上に、ペロフスカイト構造のマンガン酸化物薄膜を形成することによっても、上述した本実施形態と同様の効果を達成することもできるためである。   The substrate 1 may have a configuration other than that exemplified in the present embodiment. For example, it is not excluded to adopt a substrate in which an appropriate buffer layer is formed on a crystal body that does not have a perovskite structure, for example, a silicon single crystal substrate. This is because an effect similar to that of the above-described embodiment can also be achieved by forming a manganese oxide thin film having a perovskite structure on the surface of such a substrate.

以上、本発明の実施形態を具体的に説明した。上述の各実施形態および実施例は、発明を説明するために記載されたものであり、例えば、本実施形態で例示した薄膜や基板の材料やその組成、膜厚、形成方法、外場の種類、印加方法等は、上記実施形態に限定されるものではない。むしろ、本出願の発明の範囲は、請求の範囲の記載に基づいて定められるべきものである。また、各実施形態の他の組合せを含む本発明の範囲内に存在する変形例もまた、請求の範囲に含まれるものである。   The embodiment of the present invention has been specifically described above. Each of the above-described embodiments and examples are described for explaining the invention. For example, the material and composition of the thin film and the substrate exemplified in the present embodiment, the film thickness, the forming method, and the type of external field The application method and the like are not limited to the above embodiment. Rather, the scope of the invention of the present application should be determined based on the description of the claims. In addition, modifications that exist within the scope of the present invention including other combinations of the embodiments are also included in the scope of the claims.

本発明は、室温で外場により制御されるモット転移を実現してスイッチング機能を実現するマンガン酸化物薄膜または酸化物積層体を提供することにより、磁場、光、電気、圧力等の外場印加によるスイッチング現象を利用する装置として利用される。   The present invention provides a manganese oxide thin film or oxide laminate that realizes a switching function by realizing a Mott transition controlled by an external field at room temperature, thereby applying an external field such as a magnetic field, light, electricity, and pressure. It is used as a device that utilizes the switching phenomenon caused by

1 基板
11 Mn3+イオンにおけるe軌道(3x−r
12 Mn3+イオンにおけるe軌道(3y−r
2 マンガン酸化物薄膜
20 マンガン酸化物薄膜((110)面方位基板に形成された場合)
21 マンガン酸化物薄膜((210)面方位基板に形成された場合)
3 強相関酸化物薄膜
31 第1の強相関酸化物薄膜
32 第2の強相関酸化物薄膜
E g orbitals in one substrate 11 Mn 3+ ions (3x 2 -r 2)
E g orbitals in 12 Mn 3+ ions (3y 2 -r 2)
2 Manganese oxide thin film 20 Manganese oxide thin film (when formed on (110) plane orientation substrate)
21 Manganese oxide thin film (when formed on (210) plane substrate)
3 strongly correlated oxide thin film 31 first strongly correlated oxide thin film 32 second strongly correlated oxide thin film

Claims (5)

(110)面方位または(210)面方位の基板の面の上に形成されたペロフスカイト型マンガン酸化物薄膜であって、
組成式Ln1−xAeMnO(ただし、Lnはランタノイドから選択される少なくとも1種の3価の希土類元素であり、AeはCa、Sr、Baからなる群から選択される少なくとも1種のアルカリ土類元素)の組成を有し、
前記組成式において、0<x≦1/18である
マンガン酸化物薄膜。
A perovskite-type manganese oxide thin film formed on a (110) or (210) orientation substrate surface,
Composition formula Ln 1-x Ae x MnO 3 (where Ln is at least one trivalent rare earth element selected from lanthanoids, and Ae is at least one selected from the group consisting of Ca, Sr, Ba) Alkaline earth element)
A manganese oxide thin film wherein 0 <x ≦ 1/18 in the composition formula.
前記組成式において、1/27<x≦1/18である
請求項1に記載のマンガン酸化物薄膜。
The manganese oxide thin film according to claim 1, wherein in the composition formula, 1/27 <x ≦ 1/18.
前記マンガン酸化物薄膜の組成が、組成式Ln1−xAeMnO(ただし、Lnは、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dyからなる群から選択される少なくとも1種の3価の希土類元素)により表されるものである
請求項1に記載のマンガン酸化物薄膜。
The composition of the manganese oxide thin film is selected from the group consisting of the composition formula Ln 1-x Ae x MnO 3 (where Ln is La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy). The manganese oxide thin film according to claim 1, wherein the manganese oxide thin film is represented by at least one trivalent rare earth element.
請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載のマンガン酸化物薄膜と、
該マンガン酸化物薄膜のいずれかの面に接している強相関酸化物薄膜と
を備えており、
酸化物積層体全体の厚さt、前記マンガン酸化物薄膜の厚さtm、および前記強相関酸化物薄膜の厚さt1が、該強相関酸化物薄膜が金属相となるための臨界膜厚tcに対して、
t=tm+t1>tc、かつ
t1<tc、
の関係を満たしている
酸化物積層体。
The manganese oxide thin film according to any one of claims 1 to 3,
A strongly correlated oxide thin film in contact with any surface of the manganese oxide thin film,
The total thickness t of the oxide stack, the thickness tm of the manganese oxide thin film, and the thickness t1 of the strongly correlated oxide thin film are the critical film thickness tc for the strongly correlated oxide thin film to become a metal phase. Against
t = tm + t1> tc and t1 <tc,
An oxide laminate that satisfies the relationship of
請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載のマンガン酸化物薄膜と、
該マンガン酸化物薄膜の一方の面に接している第1の強相関酸化物薄膜と、
該マンガン酸化物薄膜の他方の面に接している第2の強相関酸化物薄膜と
を備えており、
酸化物積層体全体の厚さt、前記マンガン酸化物薄膜の厚さtm、前記第1および第2の強相関酸化物薄膜それぞれの厚さt1およびt2が、各強相関酸化物薄膜が金属相となるための臨界膜厚tcに対して、
t=tm+t1+t2>tc、かつ
max(t1、t2)<tc、
ただし、max()は、変数のうちの最大値を返す関数、
の関係を満たしている
酸化物積層体。
The manganese oxide thin film according to any one of claims 1 to 3,
A first strongly correlated oxide thin film in contact with one surface of the manganese oxide thin film;
A second strongly correlated oxide thin film in contact with the other surface of the manganese oxide thin film,
The total thickness t of the oxide stack, the thickness tm of the manganese oxide thin film, the thicknesses t1 and t2 of the first and second strongly correlated oxide thin films, For the critical film thickness tc for
t = tm + t1 + t2> tc and max (t1, t2) <tc,
Where max () is a function that returns the maximum value of the variables,
An oxide laminate that satisfies the relationship of
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