Consequences of the CMR effect in EELS by using TEM

Abstract

In den vergangenen Jahrzehnten wurde die Forschung und Entwicklung von immer kleineren und leistungsfähigeren Geräten intensiviert. Vielversprechende Kandidaten in der Nanotechnologie sind die Dünnschichtmetalloxide La0.8Sr0.2MnO3 und La2CoMnO6. Aufgrund ihres breiten Spektrums an physikalischen und chemischen Eigenschaften sind diese Doppelperovskitoxide von besonderem Interesse. Das Forschungsprojekt FOXSI untersucht die Oberflächenchemie sowie -physik von Oxiden und deren Struktur-Funktions-Beziehung. Diese Arbeit befasst sich im Rahmen von FOXSI mit den Auswirkungen des kolossalen Magnetowiderstandseffekts in der Elektronen-Energieverlustspektrometrie im Transmissionselektronenmikroskop an Doppelperovskitoxiden. Die Auswirkungen auf das untersuchte Material spiegeln Änderungen der Magnetisierung sowie des Widerstands wider. Die besondere Eigenschaft eines Doppelperovskitmanganits ist sein enorm negativer Magnetowiderstand in der Gegenwart eines magnetischen Feldes. Dieser Effekt wird auch kolossaler Magnetowiderstandseffekt genannt. Durch das Einschalten eines externen Magnetfelds kommt es zu einem Metall-Isolator-Übergang. Die Untersuchung von La0.8Sr0.2MnO3 und La2CoMnO6 mittels des Transmissionselektronenmikroskops ermöglicht die Analyse des kolossalen Magnetowiderstandseffekts mit sehr hoher räumlicher Auflösung und bietet neue Möglichkeiten in der Nanotechnologie. Strukturelle, dielektrische, elektronische sowie magnetische Eigenschaften können mit der Kombination aus Transmissionselektronenmikroskopie und Elektronen-Energieverlustspektrometrie im Nanometerbereich ermittelt werden. Wie die Untersuchungen im Transmissionselektronenmikroskop zeigen, wird der kolossale Magnetowiderstandseffekt von der bei der Probenherstellung entstandenen Mikrostruktur und ihren Inhomogenitäten (z. B. Gitterfehlanpassungen zwischen Substrat und Dünnschicht) beeinflusst. Er ist daher sensitiv gegenüber induzierter Spannung in der Grenzfläche. Die Mikrostruktur der untersuchten Probe hat ebenfalls Einfluss auf die gemessenen Spektren im Niedrigenergieverlustbereich und dies führt zu einer Änderung der Bandlücke. Eine Methode zur Bestimmung von Bandlücken und dielektrischen Eigenschaften ist die Valenzelektronenspektrometrie. Die Messungen mittels Valenzelektronenspektrometrie zeigen bei Anlegung eines externen Magnetfelds von etwa 0,9 T und durch Änderung der Temperatur von Raumtemperatur auf 85 K eine Verschiebung eines Interbandübergangs um 0,14 eV. Optische Materialeigenschaften von La2CoMnO6 wurden mittels Ellipsometer gemessen und anschließend mit Hilfe der Kröger Gleichung in Relation zu den Ergebnissen aus der Valenzelektronenspektrometrie gesetzt. Außerdem wurden Dichte-Funktional-Theorie Simulationen unter Verwendung des WIEN2k Codes und seines Pakets OPTICS zur Unterstützung der experimentellen Ergebnisse durchgeführt. Das magnetische Verhalten der Proben wurde im Transmissionselektronenmikroskop anhand von Messungen des magnetischen Zirkulardichroismus unterhalb und oberhalb der Curie Temperatur untersucht. Dabei wurde ein magnetisches Moment bei 85 K gemessen, während bei Raumtemperatur kein magnetisches Verhalten der Probe festgestellt wurde. In dieser Arbeit wurde durch Kombination von Valenzelektronenspektrometrie und Messungen des magnetischen Zirkulardichroismus im Transmissionselektronenmikroskop ein neuer Ansatz entwickelt um die Konsequenzen des kolossalen Magnetowiderstandseffektes im Nanometerbereich zu messen.

Nowadays, new electronic and electrical devices have to be stronger, more efficient and of course smaller to manage the needs of nanotechnology. Thin film metal oxides, for example La0.8Sr0.2MnO3 and La2CoMnO6, are promising candidates. These double perovskite oxides are of great interest due to their large spectrum of diverse physical and chemical properties. The research project FOXSI aims to understand the surface chemistry and physics as well as the structure-function relationship with respect to smaller scales, which generally deviate from the bulk characteristics. As a part of FOXSI, this thesis aims to detect changes of magnetisation and resistivity on thin films to describe the consequences of the colossal magnetoresistance in electron energy loss spectrometry by using transmission electron microscopy. Double perovskite manganites show a huge negative magnetoresistance when applying an external magnetic field. The resulting metal-insulator transition is also known as the colossal magnetoresistance effect. Hence, the behaviour of the colossal magnetoresistance effect on La0.8Sr0.2MnO3 and La2CoMnO6 in the nanometre scale is interesting to investigate by transmission electron microscopy. A transmission electron microscopy combined with an electron energy loss spectrometer offers structural, dielectric, electronic and magnetic measurements with high spatial resolution. The colossal magnetoresistance effect is sensitive to changes within the microstructure, e.g. to the lattice misfit between substrate and thin film and thus the induced strain in the interface. The characteristics of the microstructure influence the performance of measured low loss spectra and lead to a bandgap variation. In particular, valence electron energy loss spectrometry is a method to determine the bandgap and characterise the dielectric properties. An interband transition shift of 0.14 eV was determined for La2CoMnO6 at an external magnetic field of around 0.9 T and by changing the temperature from room temperature to 85 K. The results of valence electron energy loss spectrometry were compared with data that was measured by an ellipsometer and simulated on the basis of the Kröger equation. Additionally, the experimental results are supported by numerical density functional theory simulations using the WIEN2k code and its package OPTICS. The magnetic behaviour of the specimens is observed with chemical sensitivity by energy-loss magnetic circular dichroism below and above the Curie temperature. Even magnetic moments are detected at 85 K, while at room temperature no magnetic behaviour is measured. In conclusion, a new approach was developed to detect the consequences of the colossal magnetoresistance effect in the nanometre scale by valence electron energy loss spectrometry and energy-loss magnetic circular dichroism in transmission electron microscopy.