Grenzflächeneffekte in Manganatschichten

Abstract

Grenzflächen spielen in Manganaten und in magnetoresistiven Systemen eine wichtige Rolle. In dieser Arbeit wurden daher systematische Untersuchungen zum Einfluss der Grenzflächen in La0,7Sr0,3MnO3 (LSMO) auf das Transportverhalten unter besonderer Berücksichtigung selbstorganisierter Prozesse und einzelner Korngrenzen vorgenommen. Dabei wurden sowohl mit einer zweiten chemischen Phase (MgO und CeO2) dotierte Korngrenzen als auch undotierte Systeme untersucht. Zudem wurde die Möglichkeit der gezielten Einflussnahme auf das resistive Verhalten der Grenzflächen in Form von reversiblem Widerstandsschalten analysiert. Mittels niederfrequenter 1/f-Rauschspektroskopie konnte die hohe Qualität von nanoskaligen LSMO:MgO-Schichten und insbesondere deren Grenzflächen nachgewiesen werden. Die Untersuchungen lieferten dabei im zugänglichen Temperaturintervall keinen Hinweis auf einen zuvor vermuteten gestörten Bereich des Manganats an der Grenzfläche zum Isolator. Die temperaturabhängige Rauschamplitude konnte unter Berücksichtigung eines Tunneleffektes als dominante Rauschquelle modelliert werden und benötigt keine weiteren Parameter. Bei Dotierung der Korngrenzen mit CeO2 wird der Magnetowiderstand deutlich erhöht, was auf die geringere Barrierenhöhe und bessere Gitterpassung im Gegensatz zum MgO zurückzuführen ist. Das vom Dotiergehalt x abhängige Verhalten konnte mittels eines core-shell-Modells beschrieben werden. Im nanokristallinen LSMO wurde ein spannungsinduziertes, reversibles Widerstandsschalten mit Änderungen von bis zu 700% gefunden und charakterisiert. Durch systematische Untersuchungen konnte das elektrische Feld als ursächlich für die Widerstandsmodifikationen nachgewiesen und die Notwendigkeit der Korngrenzen aufgezeigt werden. Auf Grundlage der experimentellen Beobachtungen wurde ein idealisiertes Strukturmodell, basierend auf strukturellen Modifikationen der Korngrenze, zur Beschreibung der Widerstandsänderungen entwickelt. Zur weiteren Charakterisierung wurde durch Deposition auf SrTiO3- und MgO-Bikristallen der Einfluss einer einzelnen Korngrenze untersucht. Mittels Elektronenstrahl-Lithographie wurden dazu unterschiedlich breite Bikristallkontakte präpariert, wobei sich eine starke Abhängigkeit des Transportmechanismuses von der Breite des Kontaktes zeigte. Für schmale Kontakte (ca. 3 µm) ergaben sich Magnetowiderstandswerte von über 230%. In diesem Fall konnte das Verhalten auf einen mehrstufigen Tunnelprozess über Defektzustände in der Barriere zurückgeführt werden. Der Einfluss der Dotierung mit einer zweiten Phase auf das Transportverhalten ist dabei gering. Des Weiteren wurden Bikristallkontakte mit Breiten im sub-µm Bereich analysiert, welche mittels fokussiertem Ionenstrahl präpariert wurden. Hier ergaben sich insbesondere unter Verwendung hoher Stromdichten bzw. hoher elektrischer Felder massive, reversible Widerstandsänderungen.