Magnetophotoresistance in Pr 1–x CaxMnO3 Thin Films

In this work, a colossal magnetoresistive (CMR) Pr1−xCaxMnO3 (PCMO) man- ganite thin films and polycrystalline samples were studied with the main focus on the properties of the insulator to metal Mott phase transition. The polycrystalline PCMO samples were fabricated with the solid state reaction method. The polycrystalline sam- ples were further processed into the epitaxial thin films with the pulsed laser deposition method (PLD). The structural and magnetic properties of the samples were systemat- ically investigated and the thin films samples were further investigated with magneto- transport measurement where the thin films response to illumination was also studied. After the successful synthesis of polycrystalline PCMO samples with varying x = between 0.0 - 0.5, the magnetic characterization of the samples showed rich magnetic properties having the signatures of the magnetic phase coexistence of antiferromag- netic (AFM) and ferromagnetic (FM) ordering and cluster glass behaviour. With the increased doping concentration from x = 0.3 to 0.5, the AFM charge-order (CO) phase started to form up being strongest on the sample x = 0.5. This AFM CO phase could be melted with the high external magnetic field at temperatures below Neel’s tempera- ture TN inducing an irreversible first order metamagnetic AFM to FM phase transition. The strength of the AFM CO phase decreased with decreasing Ca concentration and increasing temperature. The polycrystalline PCMO samples with Ca concentrations of 0.3 - 0.5, showing metamagnetic behaviour, were selected for the fabrication of the thin film samples. The films were grown using two different in situ oxygen treatment temperatures at 500 ◦C and 700 ◦C in the PLD system. The films with x = 0.4 and 0.5 showed weaker AFM CO phase with greatly reduced melting fields when compared to polycrystalline samples. Also, the robustness of the AFM CO phase was further decreased in thin films with the lower oxygen treatment temperature of 500 ◦C. The magneto-transport measurements made on the thin films showed that the melting of AFM CO phase was connected to CMR effect where the increasing magnetic field induced an insulator to metal phase transition, which reduces the resistivity of the film around nine orders of magnitude. The use of illumination during the magneto-transport measurements showed a vari- ety of intriguing phenomena including magnetophotoresistance. The illumination had a huge effect to the insulator to metal transition (IMT) reducing the transition magnetic field significantly. Moreover, by magnetically biasing the thin films with the constant external magnetic field, the IMT could be induced by switching on the illumination.

Tiivistelmä Tässä työssä tutkittiin kolossaali magnetoresistiivistä (CMR) Pr1−xCaxMnO3 (PC- MO) manganitti materiaalia keskittyen Mottin eriste-metalli faasi transition ominai- suuksiin monikiteisissä kohtio sekä ohutkalvo näytteissä. Kohtiot valmistettiin kiinteän olomuodon menetelmällä, joista valmistettiin ohutkalvoja laserhöyrystysmenetelmällä. Näytteiden rakenteelliset ja magneettiset ominaisuudet tutkittiin. Lisäksi, valotuksen ja magneettikentän yhteisvaikutusta ohtukalvo näytteiden sähkönjohtavuusominaisuuksiin tutkittiin. Valmistetun PCMO kohtiosarjan Ca-konsentratiota varioitiin välillä x = 0.0 - 0.5. Kohtio näytteiden magneettiset ominaisuudet sisälsivät viitteitä magneettisesta frustraa- tiosta sekä faasiseparaatiosta ferro- (FM) ja antiferromagneettisen (AFM) järjestäymi- sen välillä. Konsentraation x = 0.3 - 0.5 näytteillä havaittiin AFM varausjärjestynyt (CO) faasi, joka oli vahvin näytteessä x = 0.5. Tämä AFM CO faasi pystyttiin rikko- maan voimakkaalla magneettikentällä kriittisen lämpötilan TN alapuolella, joka aiheut- ti irreversiibelin metamagneettisen ensimmäisen kertaluokan faasi transition AFM:sta FM:ksi. AFM CO faasi heikentyi nousevan lämpötilan funktiona sekä näytteen Ca kon- sentraation pienentyessä. Metamagneettisen transition omaavista kohtioista, x = 0.3 - 0.5, valmistettiin ohut- kalvo näytteet. Ohutkalvot kasvatettiin käyttäen kahta erilaista in situ happikäsittelyä lämpötiloissa 500 ◦C ja 700 ◦C. Ohutkalvoissa x = 0.4 ja 0.5 havaittiin huomattavasti heikompi AFM CO faasi, joka pystyttiin rikkomaan huomattavasti heikommalla mag- neettikentällä verrattuna kohtio näytteisiin. Lisäksi, ohutkalvon matalampi happikäsit- tely lämpötila 500 ◦C:ssa heikensi AFM CO faasia edelleen. Resistiivisyysmittauksissa huomattiin, että metamagneettinen faasi transitio liittyi CMR ilmiöön, missä kasvavan magneettikenttän aiheuttama faasitransitio muutti materiaalin eristävästä metalliseksi tiputtaen näytteen resistiivisyyttä n. yhdeksän decadia. Ohutkalvojen valotus mittauksissa havaittiin monia mielenkiintoisia ilmiöitä kuten magnetofotoresistanssi. Valotuksella oli suuri vaikutus eriste-metalli faasitransitiossa tarvittavaan magneettikenttään, jossa valotus pienensi tarvittavaa magneettikenttää huo- mattavasti. Lisäksi, magneettisella biasoinilla ohutkalvo pystyttiin herkistämään valon vaikutukselle, jolloin eriste-metalli faasitransitiossa saatiin aikaiseksi pelkästään valot- tamalla näyte. Valon vaikutus kasvoi laskevan lämpötilan funktiona.