Transition metal oxides are an important class of materials that show a wide range of functionalities and the interplay of spin, orbital, and lattice degrees of freedom creates various correlated electron phenomena. Despite the richness of in-depth researches and the great progress of understanding on magnetic and electric orders, the studies on the long-range order of orbital degree of freedom are still not satisfactorily understood. As a ferroic order of the orbital, understanding the orbital ordering states in materials offers us basic frameworks to discover and figure out the underlying mechanisms of many related interesting phenomena. In this dissertation, i) misfit strain effect on the orbital ordering, ii) the melting of orbital ordering in the ultrathin limit, iii) the real-space distribution of the Jahn-Teller (JT) domains, and iv) the electret formation in the orbital ordered system are investigated.To investigate the effects of misfit strain on the orbital order, we deposited the epitaxial LaMnO$_3$ (LMO) thin films on (LaAlO$_3$)$_{0.3}$-(Sr$_2$AlTaO$_6$)$_{0.7}$ (LSAT) and GdScO$_3$ (GSO) substrates. Resonant x-ray scattering near Mn K-edge is employed to identify the cooperative JT distortion at room temperature and determine the orientation of the orbital-ordered plane. We find that coherent growth on LSAT (GSO) makes the orbital ordering plane be vertical (parallel) to the film surface. The finding offers useful insight into the interplay between misfit strain and orbital order, and holds promise for strain control of orbital-dependent physical properties.Secondly, we have found the melting of orbital ordering in the ultrathin limit of the canonical eg1 orbital system LMO. The epitaxial films are synthesized such that the orbital ordering planes are aligned vertically on an orthorhombic substrate and thus the reduction in film thickness changes the two-dimensional planes into one-dimensional nanoribbons. Through a comprehensive investigation of a series of films of different thicknesses, the orbital order appears to be suppressed below the critical thickness of 6 unit cells, with changing the characteristic phonon/orbiton modes and making the Mn d orbital more isotropic. Enhanced fluctuation due to the dimensional reduction as well as octahedral coupling at the interface could be the origin of the orbital order melting.Thirdly, we successfully observed the real-space distribution of JT domains in an epitaxial LMO thin film using confocal Raman spectromicroscopy. Characteristic symmetries of JT-originated Raman modes allow us to detect and visualize the local population and orientation of JT planes and the orbiton-related domains. In conjunction with structure analysis, we have found the formation of the ferroelastic domains is a basic framework for the JT domain. We further demonstrate the manipulation of the JT domains by the application of external stress.Lastly, we have found that an electret can be created in LMO thin films by tip-induced electric fields with a considerable surface height change via solid-state electrochemical amorphization. The surface charge density of the formed electret area reaches ~400 nC.cm$^{-2}$ and persists without significant charge reduction for more than a year. The temporal evolution of surface height, charge density, and electric potential are systematically examined by scanning probe microscopy. The underlying mechanism is theoretically analyzed based on a drift-diffusion-reaction model, suggesting positively charged particles, which are likely protons produced by dissociation of water, play crucial roles of trapped charges and catalysis to trigger the amorphization. Our finding provides useful concepts on the orbital degree of freedom and opens a new horizon for multifunctional transition metal oxides.
전이 금속 산화물(Transition metal oxide; TMO)은 수많은 기능성을 보여주는 중요한 물질 중 한 분류이며, 스핀, 오비탈, 격자 자유도의 복잡한 상호 작용을 갖는다. 하지만, 자기 및 전기 정렬에 대해서는 많은 연구가 진행되어왔고, 깊이 있는 이해가 진행되어 왔음에도 불구하고, 오비탈 정렬에 대한 연구는 여전히 만족스럽게 이해되지 못하고 있다. 강자성과 강유전성과 같이 오비탈 정렬은 흥미로는 물리적인 현상들을 이해하는데 필요한 기본적인 골자가 된다.이 논문에서는 i) 오비탈 정렬에 대한 불일치 변형 효과 및 ii) 오비탈정렬의 임계 두께, iii) 얀-텔러 뒤틀림의 실공간 분포, iv) 오비탈 정렬 시스템에서 일렉트릿 형성에 대하여 조사하였다. 오비탈 정렬의 불일치 변형의 영향을 조사하기 위해 란타늄 망간 산화물 (LaMnO$_3$; LMO) 박막을 (LaAlO$_3$)$_{0.3}$-(Sr$_2$AlTaO$_6$)$_{0.7}$ (LSAT) 및 GdScO$_3$ (GSO) 기판에 켜쌓기 성장시켰다. Mn K-흡수끝 근처의 X-선 에너지를 이용한 공명 X-선 산란실험을 통해 실온에서 얀-텔러 변형(Jahn-Teller distortion)이 존재함을 확인하였고, 오비탈 정렬면의 방향을 결정할 수 있었다. 평균적으로 압축변형을 받는 LSAT에서는 오비탈 정렬면이 기판에 수직하게 놓여있는 반면, 인장변형을 받는 GSO에서는 오비탈 정렬면이 기판과 평행하게 있음을 확인하였다. 이 발견은 부적합 변형과 오비탈 정렬의 상호 작용에 대한 유용한 정보를 제공할 뿐만 아니라 오비탈에 기인한속 물리적 특성의 제어에 대한 가능성을 시사한다. 둘째로, 우리는 저차원에서 오비탈 정렬이 사라짐을 발견하였다. 사방정계 기판을 사용하여 오비탈 정렬 평면이 기판에 수직으로 정렬하고, 단일 도메인을 갖는 박막을 합성하였다. 이러한 구조에서 박막 두께를 감소함으로써 2차원 구조를 갖는 오비탈 정렬면이 나노 리본 타입으로 바뀌는 차원제어가 가능하다. 여러 두께를 갖는 일련의 박막을 이용한 포괄적인 조사를 통해, 6 유닛셀 두께의 박막 이하에서는 오비탈 정렬이 사라지고, 포논 모드의 변화를 확인할 수 있었다. 이는 망간 d 오비탈이 저차원에서 더 등방적임을 시사한다. 차원 감소로 인해 증가한 요동(fluctuation)과 계면에서의 기판과의 산소 팔면체 결합의 상호작용이 오비탈 정렬의 불안정성의 근원일 것으로 생각된다. 셋째로, 우리는 실공간에서 얀-텔러 도메인을 공초점 라만 분광법을 이용하여 관측하였다. 얀-텔러 변형에서 기인한 포논모드의 특징적인 대칭성을 이용하여 국소영역에서의 얀-텔러 면의 방향과 상대적인 양을 시각화할 수 있었고, 오비톤과 연관성이 있는 도메인도 확인할 수 있었다. 구조분석을 통해, 강탄성 도메인이 얀-텔러 도메인과 오비톤 도메인의 기반이 됨을 알 수 있었고, 외부에서의 힘을 인가늄여 얀-텔러 도메인이 변화함을 발견하였다.마지막으로, 우리는 LMO 박막에서 탐침으로 유도된 전기장에 의한 고체상 전기화학적 비정질화로 박막 표면의 큰 표면 높이 변화와 일렉트릿이 형성됨을 발견하였다. 형성된 일렉트릿 영역의 표면 전하 밀도는 ~400 nC.cm$^{-2}$에 달하고 1 년 이상 큰 전하 감소없이 유지됨을 확인하였다. 표면 높이, 전하 밀도 및 전위의 시간적 변화를 주사탐침 현미경을 통해 체계적으로 조사하였다. 시간변화에 대한 메커니즘은 표류-확산-반응 모델(drift-diffusion-reaction model)을 기반으로 분석하였다. 물분해에 의해 생성된 양성자일 가능성이 높은 양전하를 띠는 입자가 갇힌 전하로서의 역할을 할 뿐만 아니라 비정질화를 유발하는 촉매 작용의 중요한 역할을 함을 이론적으로 밝혔다.
