The mixed-valent manganites exhibit various quantum phases due to the coupling among lattice, orbital, charge and spin degrees of freedom. In particular, much attention has been attracted on the colossal magnetoresistance (CMR) due to a large resistance change under application of a magnetic field. The studies about Ca-substituted lanthanum manganites have been conducted due to the large magnetoresistance. In the manganites, the ferromagnetic metallic phase and the charge-ordered insulating phase are spatially coexistent. The spatial distribution of the phases are changed by external perturbations, thereby leading to the metal-insulator transition. Many researches have been conducted to find the origin of the CMR and apply the sensitive resistance change to create new conceptual devices. As the thickness of manganite thin film becomes thinner, the Curie temperature is lowered and the magnetic ordering as well as the CMR effect is suppressed. The magnetic dead layer effect in such thin thickness regime is an obstacle to develop a miniaturized device. Static strain by the substrate, quantum confinement, and non-uniformity of the composition near the interface can be an origin of the magnetic dead layer, but the fundamental reason is not yet clarified.
In this thesis, the result of dynamic clamping is investigated while excluding the substrate and the interfacial effects by exfoliating the thin film from the substrate. In order to exfoliate the thin film, the strontium aluminate ($Sr_3Al_2O_6$) which dissolves in water is used as a buffer layer. The Ca-substituted lanthanum manganite ($La_{0.7}Ca_{0.3}MnO_3$; LCMO) thin film deposited by pulsed laser deposition was exfoliated. The exfoliated thin film was transferred on silicon wafer so that it was free from the static and dynamic stresses. The current-voltage characteristic curve was measured at selected temperatures using the four probes method. The exfoliated thin film showed a non-Ohmic current-voltage curve and the relation between current and voltage could be described by a power law. The resistance quickly decreased as current increased, and the resistance measured at $1 \muA$ was approximately 1000 times lower than the resistance acquired at 1 nA. The transition from an insulating phase to a metallic phase was also confirmed in the temperature-dependent resistance curves under bias voltages. These non-Ohmic behavior was not found in the as-grown films. It is presumed that the removal of dynamic clamping lowers the thermodynamic barrier between the competing phases. The disappearance of the obstacle enables the phase transformation by significantly reduced small current. Our finding of the colossal electro-resistance with an ultra-low power consumption provides a promising pathway into new conceptual devices such as varistor, switch, and transistor based on a single compound material.
혼합-원자가 망간 산화물은 격자, 전자궤도, 전하, 스핀 사이의 연관성으로 인해 다양한 상태들이 발현되는 물질이다. 특히 자기장 인가에 따라 저항이 크게 바뀌는 초거대자기저항 효과는 많은 관심을 받아왔다. 그 이유는 거대자기저항 효과에 비해 매우 큰 변화 폭을 보이기 때문이다. 이 중 칼슘이 도핑 된 란타늄 망간 산화물은 초거대자기저항의 크기가 큰 물질 중 하나로서 많은 연구가 되어왔다. 망간 산화물은 자발적인 강자성 금속상과 전하 질서된 절연상의 분리가 공간적으로 일어난다. 외부 자극에 의해 공간 분포가 바뀌며 거시적으로 금속성-절연성 전이가 일어난다. 이 현상의 근본 원인을 찾고 외부 섭동에 따른 민감한 저항 변화를 유도하여 신개념 소자를 만들고자 하는 연구가 많이 진행되고 있다. 망간 산화물 박막은 두께가 얇아짐에 따라 강자성 상전이 온도가 낮아지고, 결국 자기적 특성이 사라지며 초거대자기저항 효과가 둔화된다. 이러한 얇은 두께에서의 물성 소거 현상은 소형화된 소자를 개발하는데 장애 요인이다. 기판에 의한 정적 변형, 양자 속박, 계면 근처에서의 조성의 불 균일성 등이 자성 죽은 층의 원인으로 추정되어 왔으나 아직 근본적인 원인이 밝혀져 있지 않다.
본 연구에서는 박막을 기판으로부터 박리하여 기판 및 계면 효과를 원천적으로 배제함과 동시에 동적 조임의 영향을 조사한다. 박막을 기판에서 박리하기 위하여 물에 녹는 스트론튬 알루미늄 산화물을 완충 층으로 사용한다. 펄스 레이저 증착 방식을 이용하여 성장 된 칼슘이 도핑 된 란타늄 망간 산화물 박막을 박리하였다. 이를 실리콘 기판 위에 옮겨, 정적 및 동적 변형력에서 자유로운 박막을 준비한다. 4점식 저항 측정법을 이용하여 전류(I)-전압(V) 특성 곡선을 온도 별로 조사한다. 박리된 박막에서는 비선형 I-V 특성 곡선을 보이고 멱 법칙을 따르는 것을 발견하였다. 전류가 커짐에 따라 저항이 급속히 작아지는 현상을 발견하였고, 1 nA 전류에 비해 $1 \muA$ 전류로 측정된 저항은 1000배 이상 저항이 낮아졌다. 온도 변화에 따른 저항 곡선에서도 절연성적 경향에서 도체적 경향으로 바뀌는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 비선형 I-V 특성은 대조 시료인 비박리 박막에서는 발견되지 않았다. 동적 조임이 사라짐으로써 경쟁상들 간의 열역학적 장벽이 낮아지고, 대단히 작은 전류에 의해서도 절연상으로부터 금속상으로의 전이가 용이하기 때문으로 여겨진다. 이러한 단일물질 초절전형 거대전기저항 현상은 배리스터, 신개념 스위치 및 트랜지스터 등으로 이용될 수 있을 것이다.
