Structurally driven ferromagnetism in CaRuO3/Sr2RuO4 superlattices

Abstract

The Ruthenate family (ARuO3, A = Ca, Sr, and Ba) exhibits a variety of electronic and magnetic states depending on their micro-structural configuration. For example, although both have the same crystal structure, SrRuO3 shows ferromagnetism, while CaRuO3, which has different degrees of RuO6 octahedral distortion, is paramagnetism. Similarly, Sr2RuO4, the first Ruddlesden-Popper phase of SrRuO3, is nonmagnetic based on their stacking order. This variation is primarily due to the strong p–d hybridization, where Ru 4d orbitals are bridged by O 2p orbitals, significantly influencing their physical properties, including magnetism. Thus, even though nonmagnetic ruthenates could be expected to induce emerging ferromagnetic properties by exploiting microstructural modifications. In this study, the correlations between octahedral configuration, magnetic ordering, and orbital interaction are investigated by manipulating artificially designed [(CaRuO3)n|(Sr2RuO4)m] superlattices (SLs) composed of nonmagnetic perovskite and layered ruthenates. The RuO6 octahedral configuration of the CaRuO3 layer is manipulated from a0a0c0 to a0a0c+ by tuning the stacking order, which results in local symmetry breaking, the strengthening of p–d hybridization, and emergent ferromagnetism. Also, we verified that the variation of p–d hybridization strength and electronic bandwidth based on the change in the octahedral configuration comprehensively modify magnetic properties, such as uniaxial anisotropy energy. Moreover, we successfully realized a novel double perovskite structure with the cross-linked octahedral network from a half-unit cell ordered (m = 0.5) SL. This double perovskite structure with a unique rotation system induces changes in physical properties, including a new ferromagnetic state. Our findings highlight strong correlations between electronic band structure (orbital) and magnetic properties (spin) governed by RuO6 configuration (lattice).|루테늄 페로브스카이트(ARuO3, A = Ca, Sr, Ba)는 미세 구조에 따라 다양한 전기적, 자기적 물성을 나타내는 물질군으로 SrRuO3와 CaRuO3를 비교해 보면, 같은 결정구조를 가지고 있음에도 미세 구조인 산소와 루테늄으로 이루어진 팔면체의 서로 다른 왜곡 정도로 인해 각각 강자성과 상자성 특성을 보인다. 한편, SrRuO3의 첫 번째(n =1) Ruddlesden-Popper 상(Srn+1RunO3n+1)인 Sr2RuO4의 경우 SrRuO3와는 다른 팔면체 연결 구조를 가진 층상형 구조(layered-structure)이며, 비자성 상태를 보인다. 이러한 자기적 특성의 변화는 루테늄(Ru 4d)과 산소(O 2p) 오비탈 사이의 강한 혼성화(hybridization)로 인해 발생하는 것으로, 이는 자성을 포함한 물리적 성질에 큰 영향을 미치게 된다. 따라서, 강자성 특성을 가지지 않는 루테늄 페로브스카이트일 지라도 미세 구조적 변화를 이용하면 새로운 강자성 특성을 유도할 수 있을 것이다. 본 연구는 강자성 특성을 가지지 않는 정방정계 페로브스카이트와 층상형 페로브스카이트를 사용해 인공적으로 설계된 [(CaRuO3)n|(Sr2RuO4)m]10 초격자를 활용하여, 미세구조의 변화와 자기적 특성 및 오비탈 사이의 상관관계에 대하여 알아보고자 하였다. 실험결과, 초격자 내 각 물질의 단위 셀을 조정하여 CaRuO3 층의 팔면체 구성을 a0a0c0에서 a0a0c+로 조작할 수 있음을 확인하였으며, 이러한 미세 구조의 변변화부터 결정 대칭성이 감소하였으며 전자 구조의 변화와 강자성 특성의 발현을 관찰하였다. 따라서 팔면체 구조의 변화에 기반한 혼성화 강도의 변화와 대역폭의 감소가 복합적으로 포화 자화나 이방성 에너지 같은 다양한 자기적 성질을 제어함을 확인할 수 있었다. 또한, Sr2RuO4 층을 반 단위 (m = 0.5) 주기로 CaRuO3와 적층시킨 초격자의 경우, 3차원으로 연결된 팔면체 배열을 가진 새로운 이중 페로브스카이트 구조((Ca,Sr)Ru2O6)로 변환된 것을 구조분석을 통하여 확인 하였다. (Ca,Sr)Ru2O6는 다른 초격자와 구별되는 팔면체 구조를 가지고 있으며, 강자성 절연 특성을 보였다. 이러한 결과는 팔면체 구성의 미세 구조에 의해 제어되는 전자 밴드 구성과 전자/스핀 배열 사이의 강한 상관관계를 확인하였다.