PHONON AND MAGNON SCATTERING STUDIES OF HEXAGONAL RMnO3

Abstract

육방형 RMnO3 물질에서 포논과 마그논에 대해서 체계적으로 연구를 수행하였다. 특히, 이 물질에서 마그논에 대해서는 이미 알려진 바가 없어서 이 논문에서 독창적으로 수행한 것이며 마그논에 대해서 더 집중할 것이다. 육방형 RMnO3 물질에서 마그논은 붉은색 계열의 레이저로만 여기가 가능하다는 것이 본 연구에서 밝혀졌다. 이처럼 매우 강한 공명 라만산란 현상은 망간 d-d 전이와 밀접한 관련이 있는 것으로 보인다 우선, HoMnO3 박막의 라만 스펙트라의 온도 의존성을 13-300 K 온도 범위에서 조사하였다. 이 박막은 Pt(111)//Al2O3 (0001) 기판위에 레이저 증착법으로 제조되었다. 몇 개의 폭넓은 봉우리들이 ~510, 760, 955, 1120, 그리고 1410 cm-1 에서 관찰되었다. 이들 봉우리들은 닐(Néel) 온도 근처에서 특이성을 보이고 있다. 즉, 시료의 온도가 닐 온도보다 낮아짐에 따라서 이들 봉우리들의 세기는 점점 커지는 대신에 봉우리 주변에서는 계곡이 생기듯이 세기가 점점 줄어드는 것을 관찰하였다. 닐 온도 이상의 임의 온에서 얻은 라만 스펙트럼을 기준으로 삼고, 다른 온도에서 측정한 라만 스펙트럼 세기와의 차이를 모든 온도에서 구해보면, 봉우리 부분은 양수값을 갖고 계곡 부분은 음수 값을 갖는 것을 확연히 볼 수 있다. 우리의 분석에 의하면, 모든 봉우리들은 자기적 질서맺음과 밀접한 연관성이 있으며, 이들은 2/3 스핀-마그논, 4 스핀-마그논, 6 스핀-마그논과 대응시킬 수 있다. 마찬가지로 모든 계곡들은 마그논과 관련된 포논들과 밀접한 연관이 있음을 알 수 있다. 이로부터 포논과 마그논이 강한 상관관계를 갖고 있음을 알 수 있다. 순전히 우리의 라만실험 결과 만으로 HoMnO3 박막의 닐 온도와 스핀교환 적분상수를 구할 수 있었다. 입사광과 산란광의 편광축이 서로 직각인 상태로 13K 에서 측정한 라만산란 실험을 통하여, 680 cm-1 에 있는 A1 포논이, 1.7 eV 에서 관찰되는 망간 d-d 전이 근처 에너지에서 강한 공명현상을 보이는 것을 발견하였다. 아울러 760 cm-1 에서 보이는 4 스핀-마그논은 647 nm (1.92 eV)와 671 nm (1.85 eV) 붉은빛 레이저들에 의해서만 여기되고, 532 nm (2.33 eV) 레이저에 의해서는 전혀 관찰되지 않았다. 이는 4 스핀-마그논도 망간 d-d 전이와 깊은 관계가 있음을 보여준다. 4 스핀-마그논에 대한 분석에서 더 나아가, 모든 종류의 마그논 산란에 대한 일반적인 모델을 제시한다. 또한, 육방형 RMnO3 ( R = Tb, Dy, Ho, Er) 박막의 라만산란 실험으로부터 포논과 마그논의 희토류 원소 R의존성을 연구하였다. R 이온의 반경이 Tb 에서 Er 으로 줄어들수록 포논들의 진동수는 증가하는 경향을 보인다. 우리 라만실험 결과로부터, 육방형 RMnO3 박막에서 R 이온의 반경이 줄어들면 격자상수 a 와 c 모두 줄어들지만 c 는 덜 영향을 받는다는 것을 유추할 수 있다. 마그논도 R 이온의 반경이 줄어듦에 따라서 높은 에너지쪽으로 이동하는 것을 보여주는데, 이동 경향성이 포논보다 더욱 강하다. 이는 마그논이 동일 평면상 Mn-Mn 거리에 더 밀접하게 연관되어 있음을 시사한다. 라만실험으로 얻은 닐 온도도, R 이온의 반경이 줄어듦에 따라서 일관되게 높은 온도 쪽으로 이동하였다. 마그논과 닐 온도의 R 이온 의존성은 Mn-Mn 사이 거리가 짧아짐에 따라서 스핀교환 적분상수가 급격히 증가하는 것으로 설명이 가능하다.;In this thesis, we have systematically investigated the phonon and magnon scattering in hexagonal RMnO3. Especially, we focus on the magnon scattering, which have not been reported previously. The magnon scattering can be selectively excited by red lasers in hexagonal RMnO3. This extremely strong resonant effect of the magnon scattering is related with Mn d-d transition. First, we studied the temperature dependence of the Raman spectra of hexagonal HoMnO3 thin films in the 13-300 K temperature range. The films were grown on Pt(111)//Al2O3 (0001) substrates by laser ablation method. In the HoMnO3 thin films, we initially observed several broad Raman peaks at ~ 510, 760, 955, 1120, and 1410 cm-1. These broad Raman peaks display an anomalous behavior near the magnetic transition temperature, and the intensity difference of the Raman spectra at different temperatures show several pairs of negative and positive peaks as the temperature is lowered below N?el temperature. Our analyses indicate that all the broad peaks are correlated with magnetic ordering, and we have assigned the origin of all the broad peaks to two/three-magnon, four-magnon and six-magnon. Negative peaks, on the other hand, are found to be related with E1 phonons and second order A1 phonon, therefore, suggesting a strong correlation between magnon and phonon in this material. Purely on the basis of the Raman analysis, we have deduced the Néel temperature and the spin exchange integrals of HoMnO3 thin films. From the Raman scattering of hexagonal HoMnO3 at 13K in cross configuration, we found that the A1 phonon at 680 cm-1 shows strong resonance effect near the on-site Mn d-d transition at ~ 1.7 eV. Our Raman results show that the four-magnon scattering at 760 cm-1 can be selectively excited with red lasers of 647 nm (1.92 eV) and 671 nm (1.85 eV), while not detectable with green laser of 532 nm (2.33 eV), indicating that the four-magnon scattering in hexagonal HoMnO3 has extremely strong resonance effect also near the on-site Mn d-d transition at ~ 1.7 eV. Furthermore, through the analyses of our study of the resonant four-magnon Raman, we propose a simple general model for all resonant magnon scattering. We also studied the rare earth R dependence of the phonon and magnon scattering in hexagonal RMnO3 (R = Tb, Dy, Ho, Er) thin films using Raman scattering spectroscopy. We found, as the R ionic radius decreases from Tb to Er, the phonons shift to higher energies. Our results indicate that both the lattice constants a and c of hexagonal RMnO3 would decrease when the R ionic radius decreases, and the lattice constant c would have weaker R dependence. The magnons also shift to higher energies when the radius of the R ion decreases, and they show faster upshift than the phonons. This impies that the magnons are closely related more with the in-plane Mn-Mn interaction than out-of-plane (inter plane) interaction. The N?el temperature also shows a systematic increasing behavior when the radius of the R ion decreases. The rare earth R dependence of the magnons and the N?el temperature can be explained by the rapid increasing of the spin-exchange integral when the Mn-Mn distance decreases.