Nonlinear-Optical Investigation on Strain-Induced Phases of Perovskite Oxide Thin-FIlms

Abstract

In this dissertation, crystallographic symmetry and their coupled electromagnetic properties of perovskite oxide thin films are explored using nonlinear second harmonic generation. Specifically, we investigate ferroelectric state and domain evolution during phase transition of BiFeO3 thin film and fully characterize crystallographic symmetry of SrRuO3 thin films. First, we investigate the ferroelectric state of the ferroelectric domain distributions of a tetragonal BiFeO3 thin film grown on a LaAlO3 (001) substrate using an optical second harmonic generation (SHG) microscope. Whereas the ferroelectric state of this material hosts nano-sized domains which again form micro-sized domains of four different configurations, we could figure out the characteristic features of each domain from the SHG mapping with various sizes of the probe beam, i.e., from 0.7 m to 3.9 m in its diameter. In particular, we demonstrate that a single micro-sized domain contributes to the SHG as a coherent summation of the constituent nano-sized domains, and multi-micro-sized domains contribute to the SHG as an incoherent summation of each micro-domain.

Second, from the temperature-dependent areal mapping of the SHG intensity with a diffraction-limited spatial resolution, we found that the domain distribution undergoes a large change across the phase transition in the first heating run, but afterwards it remains almost the same upon the successive phase transitions in both cooling and heating runs. We discuss such random or deterministic selection of the polarization directions of ferroelectric domains in terms of the Kittel’s law and the free energy landscape in each phase. Third, we investigate inversion symmetry breaking of surface and interface structure for SrRuO3 thin films grown on SrTiO3(001) substrate. We discuss the surface and interfaces arising from reconstruction process for strained tetragonal and relaxed bulk-like orthorhombic structure. Temperature-dependence of SHG intensity reflect that the interface and surface are determined according to the bulk structure. Particularly, from the low temperature results, we reveal the relationship between practical direction of inversion symmetry breaking and emergence of magnetic skyrmion in strong spin-orbit interacted oxide films. From these results, it is suggested that controlling of topological physics by surface and interface engineering in perovskite oxide thin films. Finally, a polar ferromagnetic metal phase in SrRuO3 thin films is presented, arising from the strain-controlled oxygen octahedral rotation (OOR) pattern. For compressively strained SrRuO3 films, strain relaxation is accompanied by structural phase separation into strained tetragonal and bulk-like orthorhombic phases, and the asymmetric OOR evolution across the phase boundary allows formation of the polar phase, while bulk metallic and ferromagnetic properties are maintained.|전이금속 산화물은 물질에 포함된 전이금속의 d-전자 특성으로 인한 격자-전하-스핀-오비탈의 강한 상호작용을 가지며, 이로 인해 흥미로운 다양한 물성을 갖는다. 그중에서도 페로브스카이트 박막은 물질의 안정성과 기능성에 의해 많은 연구가 진행되고 있다. 응력공학은 이러한 페로브스카이트 박막의 물리적 특성을 제어하고 새로운 물성을 구현하기 위해 사용되는 가장 대표적인 방법이다. 이를 이용하여 물질의 격자 제어를 도모할 수 있으며, 격자와 상호작용하는 스핀-전하-오비탈 자유도의 상태 및 특성 변화를 이끎으로써 다양한 연구를 목표로 할 수 있다. 제 2 조화파를 이용한 응집물질 연구는 최근 들어 응집물질 연구분야에서 각광받는 분야 중 하나로, 물질이 가진 대칭특성을 직접적으로 살펴볼 수 있다는 점에서 장점을 갖는다. 더욱이, 대칭특성은 물질의 구조와 더불어 극성, 자성, 오비탈 등 여러가지 정보를 포함하기 때문에 실험방법에 따라 다양한 특성을 살펴볼 수 있다. 본 학위논문에서는 비선형 광학현상인 제 2 조화파를 이용하여 페로브스카이트 박막의 결정대칭과 이와 관련된 전기-자기적 특성을 다루고 있다. 특히, 비스무트 철 산화물 박막의 강유전 도메인 특성과 상전이를 대칭특성 관점에서 연구하고 스트론튬 루테늄 산화물 박막의 결정대칭특성을 특정하였다. 첫 번째 파트에서는 란타늄 알루미늄 산화물 기판에 성장된 비트무트 철 산화물 박막의 강유전 특성의 도메인 구조 및 온도에 따른 상전이 특성을 살펴본다. 이를 위해 강유전 도메인으로부터 발생하는 제 2조화파를 여러가지의 빔 사이즈를 이용하여 측정함으로써 광학계가 가지는 결맺음조건에 따라 달라지는 신호를 측정한다. 그 결과, 마이크로미터 크기 도메인에서 측정되는 제 2 조화파는 도메인을 구성하는 나노미터 크기 도메인으로부터 발생하는 제 2 조화파간의 결맞음 기여로서 이해하고, 서로 다른 마이크로미터 크기 도메인들로부터 측정되는 제 2 조화파는 비 결맞음 기여임을 알아내었다. 두 번째 파트에서는 앞서 상온에서 알아본 결과를 바탕으로, 온도별로 변화하는 제 2 조화파 신호의 크기에 대한 2차원 맵핑을 통해 연속적인 상전이 과정에서 변화하는 강유전특성의 대칭특성 및 도메인 변화를 살펴본다. 이에 대한 결과로 우리는 원시료의 첫 번째 상온-고온 상전이에서 일어나는 구조상전이에서 능면정 단사정체에서 정방정 단사정체로의 대칭특성 변화를 실증하였으며, 이후에 이어지는 연속적인 상전이 과정에서 무작위 형태가 아닌 결정적 상전이가 수반됨을 발견하여 비스무트 철 산화물 박막이 논리회로로서 활용될 수 있는 가능성을 제시한다. 세 번째 파트에서는 여러가지 두께를 가지는 스트론튬 루테늄 산화물 박막의 표면 및 계면 구조대칭특성을 살펴본다. 상온에서, 방위각에 따른 제 2 조화파 크기는 박막의 두께가 두꺼워짐에 따라 4겹에서 2겹 패턴으로 변하는데 이는 각각 스트론튬 루테늄 산화물과 스트론튬 티타늄 산화물 박막 사이의 계면과 표면의 결정대칭특성을 반영한다. 이러한 특성은 낮은 온도의 영역에서 유지되며, 높은 온도의 영역에서 줄어들어 약 500 K을 전후로 사라지는데, 이는 박막의 벌크 특성을 반영한다. 이러한 결과를 기반으로 반전대칭 특성이 파괴되는 특성과 강한 스핀-궤도 상호작용을 갖는 산화물 박막 표면에서 발현되는 자성 스커미온 간의 관계를 논하며, 나아가 강상관계 산화물 박막에서의 자성 스커미온 제어가 가능함을 시사한다. 마지막 파트에서는 스트론튬 루테늄 산화물 박막에서 일어나는 산소팔면체 회전 네트워크의 응력 완화로 인해 안정화되는 극성 도체 상을 살펴본다. 적은 응력으로 인해 압축된 스트론튬 루테늄 산화물 박막은 응력 현상으로 인해 정방정계 결정구조를 갖는데, 박막의 두께가 두꺼워짐에 따라 증가하는 부피효과는 응력효과를 방해하여 본래의 벌크 구조로 되돌리는 힘을 가한다. 이 결과로 구현된 정방정계–사방정계구조의 계면에서는 반전대칭특성이 파괴되어 극성을 갖는 삼사정계 구조가 안정되며, 전자특성 및 자성특성은 유지됨으로써 극정 도체 상이 안정화된다. 이러한 결과를 기반으로 우리는 응력 완화 현상이 전이금속 산화물의 새로운 특성을 안정화시킬 수 있는 방법으로서 이용될 수 있음을 제안하며, 산소팔면체의 제어를 통해 다기능 전이금속 산화물을 실현할 수 있음을 시사한다.