CONDUCCIÓN ELÉCTRICA Y ORDEN MAGNÉTICO REALZADOS EN PAREDES DE MACLA DE ÓXIDOS COMPLEJOS

Los materiales ferroicos (ferroelásticos, ferroeléctricos, ferromagnéticos) se definen por poseer un parámetro de orden que puede apuntar en dos o más direcciones o polaridades energéticamente equivalentes. Por debajo de la temperatura crítica, estos cristales tienden a organizarse en dominios o maclas, generalmente separados por bordes planos o paredes de macla que, a su vez, definen la relación geométrica entre las polaridades de dominios adyacentes. La descomposición espontánea del cristal ferroico en dominios, de hecho, constituye un ejemplo fascinante de auto-organización natural en la nanoescala que, a pesar de ser conocida desde mediados del siglo pasado, sólo a mediados de la última década ha recibido una atención especial tras la constatación del enorme potencial de las paredes de macla como elementos funcionales bien diferenciados de la matriz que los contiene.

El panel de la izquierda muestra un mapa de corriente obtenido a V = -1.4V, de la superficie de una lámina epitaxial de LSMO. El mapa muestra el aumento de corriente (contraste oscuro) a lo largo de las paredes de macla paralelas a las direcciones cristalográficas [100] y [010]. Las imágenes de microscopía electrónica muestran la pared de macla, tal como se indica mediante flechas verticales. La imagen de la izquierda es una imagen HAADF cuyo contraste es proporcional al número atómico, e indica la ausencia de alteraciones significativas del orden químico. Los siguiente paneles corresponden a la misma imagen de contraste de fase (HRTEM). El primero está comprimido lateralmente, enfatizando así la distorsión de la estructura en la vecindad de la pared. El segundo (extremo derecho), muestra la imagen sin distorsionar, utilizada para la determinación del tensor de la deformación bidimensional correspondiente mediante el análisis de la fase geométrica (GPA). El esquema insertado en esta imagen muestra el estado de la deformación deducido del análisis. El esquema inferior muestra las distorsiones δd y δΘ que determinan el grado de solapamiento orbital Mn 3d - O 2p. Felip Sandiumenge, ICMAB-CSIC.

El panel de la izquierda muestra un mapa de corriente obtenido a V = -1.4V, de la superficie de una lámina epitaxial de LSMO. El mapa muestra el aumento de corriente (contraste oscuro) a lo largo de las paredes de macla paralelas a las direcciones cristalográficas [100] y [010]. Las imágenes de microscopía electrónica muestran la pared de macla, tal como se indica mediante flechas verticales. La imagen de la izquierda es una imagen HAADF cuyo contraste es proporcional al número atómico, e indica la ausencia de alteraciones significativas del orden químico. Los siguientes paneles corresponden a la misma imagen de contraste de fase (HRTEM). El primero está comprimido lateralmente, enfatizando así la distorsión de la estructura en la vecindad de la pared. El segundo (extremo derecho) muestra la imagen sin distorsionar, utilizada para la determinación del tensor de la deformación bidimensional correspondiente mediante el análisis de la fase geométrica (GPA). El esquema insertado en esta imagen muestra el estado de la deformación deducido del análisis. El esquema inferior muestra las distorsiones δd y δΘ que determinan el grado de solapamiento orbital Mn 3d – O 2p. Felip Sandiumenge, ICMAB-CSIC.

Los efectos de la ruptura de simetría y la deformación asociados a las paredes de macla, en analogía con las heterointercaras epitaxiales, cobran una dimensión particular en los óxidos complejos, y han sido objeto de numerosos estudios, esencialmente dirigidos sobre paredes de dominios ferroeléctricos en materiales mutiferroicos. Sin embargo, el mecanismo estructural que da origen al comportamiento distintivo de las paredes de macla en sistemas no ferroeléctricos, permanece todavía inexplorado. Ello se debe esencialmente al reto que supone la determinación en la nanoescala de las distorsiones del armazón octaédrico que forma la estructura tipo perovskita de estos materiales. Recientemente, una investigación realizada por investigadores del ICMAB-CSIC, en colaboración con el CIN2 (CSIC-ICN), y con la participación del CEMES-CNRS en Toulouse y el Laboratoire de Physique des Solides en Orsay, ha permitido incidir sobre estas cuestiones mediante una combinación de microscopías de fuerzas atómicas en modo de conducción (c-AFM), magnéticas (MFM), de modulación de fuerzas (FMM), y microscopía electrónica de transmisión (HRTEM y HAADF), utilizando como sistema modélico paredes de macla del tipo (100), puramente ferroelásticas, en láminas epitaxiales del semimetal ferromagnético a T ambiente La0.7Sr0.3MnO3 (LSMO).

            Los resultados de la investigación demuestran un aumento de un orden de magnitud en la conductividad eléctrica, así como el desarrollo de interacciones ferromagnéticas más robustas, en el interior de las paredes de las maclas. Un estudio detallado de su estructura local demuestra un estado compresivo, que a diferencia de los sólidos cristalinos convencionales, se acomoda mediante una combinación de distorsiones elásticas y rotaciones de los octaedros. Una aproximación geométrica al comportamiento de las perovskitas romboédricas ha permitido, a su vez, cuantificar la contribución relativa de la distorsión del ángulo de enlace Mn – O – Mn y la distorsión de la distancia de enlace Mn – O, como factores determinantes del grado de solapamiento orbital Mn 3d – O 2p, responsable del ancho de banda en estos materiales. Las conclusiones obtenidas están de acuerdo con modelos teóricos sobre los efectos del signo de la deformación en las propiedades eléctricas y magnéticas en este tipo de óxidos.

Felip Sandiumenge, ICMAB-CSIC

Referencia del artículo:

Lluís Balcells, Markos Paradinas, Núria Baguès, Neus Domingo, Roberto Moreno, Regina Galceran, Michael Walls, José Santiso, Zorica Konstantinovic, Alberto Pomar, Marie-Jo Casanove, Carmen Ocal, Benjamín Martínez, Felip Sandiumenge, Enhanced conduction and ferromagnetic order at (100)-type twin walls in La0.7Sr0.3MnO3 thin films, Phys. Rev. B 92, 075111 (2015).

Artículos relacionados:

Santiso, Ll. Balcells, Z. Konstantinovic, J. Roqueta, P. Ferrer, A.Pomar, B.Martínez, and F.Sandiumenge, Thickness evolution of the twin structure and shear strain in LSMO films, Cryst Eng Comm 15, 3908-3918 (2013).

Sandiumenge, J. Santiso, Ll.Balcells, Z.Konstantinovic, J.Roqueta, A Pomar, J. P. Espinós, and B. Martínez, Competing misfit relaxation mechanisms in epitaxial correlated oxides, Physical Review Letters 110, 107206 (2013).