SrRuO3/CaRuO3 초격자 팔면체 구조와 물성 간의 강한 상관관계에 관한 연구

Abstract

ABO3 페로브스카이트 산화물의 산소 팔면체 정렬구조는 이 물질군의 전자적 및 자기적 특성에 영향을 주는 중요한 원인이며, 현재 복합 산화물들의 이종 계면을 통한 팔면체 구조 변화에 대한 많은 관심이 집중되고 있다. 본 연구에서는 각 SrRuO3 층 및 CaRuO3 층에서의 팔면체 구조가 초 격자 구조내에서 계면 결합을 통해 조작될 수 있으며, 이는 전자 및 자기 특성을 추가로 변화시킬 수 있음을 보여준다. SrTiO3 기판에서 성장한 (SrRuO3)6/(CaRuO3)m 초격자의 팔면체 회전에 대한 직접적인 관찰은 실험실 기반 고출력 X-선 회절을 이용한 비 대칭 면 분석을 통해 수행하였다. 그 결과, RuO6 팔면체의 회전 정도와 함께 사방정계에서 정방정계로의 SrRuO3 결정학적 위상의 변화가 초격자에서 SrRuO3와 CaRuO3 사이의 이종 계면을 가로질러 연결된 팔면체의 계면 접촉에 의해 조정될 수 있음을 발견했다. 실제로 RuO6 팔면체 회전과 c-축 격자크기는 CaRuO3 층의 두께가 증가함에 따라 감소했다. 특히, c-축을 따른 다른 두 물질의 계면에서의 에피텍셜 스트레인에 의한 변형으로 인해 CaRuO3층의 주기가 변화함에 따라 SrRuO3의 RuO6 팔면체 왜곡이 체계적으로 변화하고, 그에 따른 SrRuO3의 전자적 및 자기적 특성이 변조됨을 확인하였다. 마지막으로 RuO6 팔면체 왜곡과 물리적 특성에 영향을 미치는 전자 구조 사이의 강한 상관 관계가 밝혀졌다. 이러한 결과는 초격자 구조를 이용하여 나노 스케일에서 페로브스카이트 산화물의 팔면체 구조를 조작할 수 있으며, 다양한 페로브스카이트 물질의 물리적 특성과 팔면체 구조 간의 상관 관계를 기반으로 새로운 물성을 개발하고 응용하는데 활용될 수 있을 것으로 예상된다.

Oxygen octahedral configurations attributed to lattice distortion is a key to determine the electronic and magnetic properties of the ABO3 perovskite oxides and have been attracted a lot of interests on physics and applications of complex oxides hetero interface. In this study, we show that the octahedral structure of the SrRuO3 layer can be manipulated by interfacial coupling with CaRuO3 layer in superlattice, which further changes the electronic and magnetic properties. Direct observations for the octahedral rotation of (SrRuO3)6/(CaRuO3)m superlattices grown on SrTiO3 substrates were carried out by analyzing half-order Bragg peaks using high-power X-ray diffractometer with 2D detector. We found that the change in crystallographic phase of SrRuO3 from orthorhombic to tetragonal, accompanied by the degree of RuO6 rotation, can be tuned by the interface coupling of the linked-octahedra across the hetero-interface between SrRuO3 and CaRuO3 in superlattice. Indeed, RuO6 octahedral rotation and c-axis lattice decreased with increasing the thickness of CaRuO3 unit cell (UCs). In particular, it was also confirmed that the RuO6 octahedral distortion of SrRuO3 was systematically changed with altering the period of CaRuO3 layer due to the epitaxial strain at hetero-interfaces along c-axis, and the electronic and magnetic characteristics of SrRuO3 is modulated with RuO6 octahedral distortion. Finally, a strong correlation between RuO6 octahedral distortion and electronic structure affecting physical properties was elucidated. These results suggest the feasible way to manipulate the octahedral configuration of perovskite oxide in nanoscale by introducing superlattice and opens a promising possibility for designing emergent properties based on the correlation between oxygen octahedral structure and physical properties in functional perovskites.