The detailed crystal structure and antiferromagnetic properties of a 42 nm thick CaMnO3 film grown on a LaAlO3 substrate with a 9 nm La0.67Ca0.33MnO3 buffer layer have been investigated. Compared with a CaMnO3 film directly grown on a LaAlO3 substrate, only one kind of orthorhombic b axis orientation along the [100] axis of the substrate is observed in the CaMnO3 film with a La0.67Ca0.33MnO3 buffer layer. To determine the antiferromagnetic ordering type of our CaMnO3 film with a buffer layer, the first-principles calculations were carried out with the results, indicating that the CaMnO3 film, even under a tensile strain of 1.9%, is still a compensated G-type antiferromagnetic order, the same as the bulk. Moreover, the exchange bias effect is observed at the interface of the CaMnO3/La0.67Ca0.33MnO3 film, further confirming the antiferromagnetic ordering of the CaMnO3 film with a buffer layer. In addition, it is concluded that the exchange bias effect originates from the spin glass state at the La0.67Ca0.33MnO3/CaMnO3 interface, which arises from a competition between the double-exchange ferromagnetic La0.67Ca0.33MnO3 and super-exchange antiferromagnetic CaMnO3 below the spin glass freezing temperature.

1.
Y.
Tokura
and
S.
Seki
,
Adv. Mater.
22
,
1554
1565
(
2010
).
2.
F.
Wang
,
Y. Q.
Zhang
,
W.
Liu
,
X. K.
Ning
,
Y.
Bai
,
Z. M.
Dai
,
S.
Ma
,
X. G.
Zhao
,
S. K.
Li
, and
Z. D.
Zhang
,
Appl. Phys. Lett.
106
,
232906
(
2015
).
3.
X.
Li
,
C. L.
Lu
,
J. Y.
Dai
,
S.
Dong
,
Y.
Chen
,
N.
Hu
,
G. H.
Wu
,
M. F.
Liu
,
Z. B.
Yan
, and
J. M.
Liu
,
Sci. Rep.
4
,
7019
(
2014
).
4.
X.
Ke
,
T.
Birol
,
R.
Misra
,
J.-H.
Lee
,
B. J.
Kirby
,
D. G.
Schlom
,
C. J.
Fennie
, and
J. W.
Freeland
,
Phys. Rev. B
88
,
094434
(
2013
).
5.
C. J.
Fennie
and
K. M.
Rabe
,
Phys. Rev. Lett.
97
,
267602
(
2006
).
6.
T.
Kimura
,
S.
Kawamoto
,
I.
Yamada
,
M.
Azuma
,
M.
Takano
, and
Y.
Tokura
,
Phys. Rev. B
67
,
180401(R)
(
2003
).
7.
H.
Sakai
,
J.
Fujioka
,
T.
Fukuda
,
M. S.
Bahramy
,
D.
Okuyama
,
R.
Arita
,
T.
Arima
,
A. Q. R.
Baron
,
Y.
Taguchi
, and
Y.
Tokura
,
Phys. Rev. B
86
,
104407
(
2012
).
8.
H.
Sakai
,
J.
Fujioka
,
T.
Fukuda
,
D.
Okuyama
,
D.
Hashizume
,
F.
Kagawa
,
H.
Nakao
,
Y.
Murakami
,
T.
Arima
,
A. Q. R.
Baron
,
Y.
Taguchi
, and
Y.
Tokura
,
Phys. Rev. Lett.
107
,
137601
(
2011
).
9.
S.
Bhattacharjee
,
E.
Bousquet
, and
P.
Ghosez
,
Phys. Rev. Lett.
102
,
117602
(
2009
).
10.
J. H.
Lee
and
K. M.
Rabe
,
Phys. Rev. Lett.
104
,
207204
(
2010
).
11.
C.
Becher
,
L.
Maurel
,
U.
Aschauer
,
M.
Lilienblum
,
C.
Mage´n
,
D.
Meier
,
E.
Langenberg
,
M.
Trassin
,
J.
Blasco
,
I. P.
Krug
,
P. A.
Algarabel
,
N. A.
Spaldin
,
J. A.
Pardo
, and
M.
Fiebig
,
Nat. Nanotechnol.
10
,
661
(
2015
).
12.
T.
Günter
,
E.
Bousquet
,
A.
David
,
P.
Boullay
,
P.
Ghosez
,
W.
Prellier
, and
M.
Fiebig
,
Phys. Rev. B
85
,
214120
(
2012
).
13.
Z.
Liao
,
M.
Huijben
,
Z.
Zhong
,
N.
Gauquelin
,
S.
Macke
,
R. J.
Green
,
S.
Van Aert
,
J.
Verbeeck
,
G.
Van Tendeloo
,
K.
Held
,
G. A.
Sawatzky
,
G.
Koster
, and
G.
Rijnders
,
Nat. Mater.
15
,
425
(
2016
).
14.
D.
Kan
,
Y.
Wakabayashi
,
H.
Tajiri
, and
Y.
Shimakawa
,
Phys. Rev. B
94
,
024112
(
2016
).
15.
C. L.
Flint
,
A. J.
Grutter
,
C. A.
Jenkins
,
E.
Arenholz
, and
Y.
Suzuki
,
J. Appl. Phys.
115
,
17D712
(
2014
).
16.
L.
Maurel
,
N.
Marcano
,
T.
Prokscha
,
E.
Langenberg
,
J.
Blasco
,
R.
Guzman
,
A.
Suter
,
C.
Magen
,
L.
Morellon
,
M. R.
Ibarra
,
J. A.
Pardo
, and
P. A.
Algarabel
,
Phys. Rev. B
92
,
024419
(
2015
).
17.
F.
Wang
,
Y. Q.
Zhang
,
Y.
Bai
,
W.
Liu
,
H. R.
Zhang
,
W. Y.
Wang
,
S. K.
Li
,
S.
Ma
,
X. G.
Zhao
,
J. R.
Sun
,
Z. H.
Wang
,
Z. J.
Wang
, and
Z. D.
Zhang
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
052403
(
2016
).
18.
Z. H.
Wang
,
G.
Cristiani
,
H. U.
Habermeier
, and
J. A. C.
Bland
,
Phys. Rev. B
72
,
054407
(
2005
).
19.
F.
Wang
,
Y.
Bai
,
W.
Liu
,
H. R.
Zhang
,
S. K.
Li
,
Z. M.
Dai
,
S.
Ma
,
X. G.
Zhao
,
S. C.
Wang
,
Z. J.
Wang
, and
Z. D.
Zhang
,
J. Magn. Magn. Mater.
428
,
372
376
(
2017
).
20.
C.
Loschen
,
J.
Carrasco
,
K. M.
Neyman
, and
F.
Illas
,
Phys. Rev. B
75
,
035115
(
2007
).
21.
S. L.
Dudarev
,
G. A.
Botton
,
S. Y.
Savrasov
,
C. J.
Humphreys
, and
A. P.
Sutton
,
Phys. Rev. B
57
,
1505
(
1998
).
22.
G.
Kresse
and
J.
Furthmuller
,
Phys. Rev. B
54
,
11169
(
1996
).
23.
T.
Takeda
and
S.
Ohara
,
J. Phys. Soc. Jpn.
37
,
275
(
1974
).
24.
G.
Kresse
and
D.
Joubert
,
Phys. Rev. B
59
,
1758
(
1999
).
25.
J. P.
Perdew
,
K.
Burke
, and
M.
Ernzerhof
,
Phys. Rev. Lett.
77
,
3865
(
1996
).
26.
M. R.
Hestenes
and
E.
Stiefel
,
J. Res. Natl. Bur. Stand.
49
,
409
(
1952
).
27.
J. F.
Ding
,
O. I.
Lebedev
,
S.
Turner
,
Y. F.
Tian
,
W. J.
Hu
,
J. W.
Seo
,
C.
Panagopoulos
,
W.
Prellier
,
G.
Van Tendeloo
, and
T.
Wu
,
Phys. Rev. B
87
,
054428
(
2013
).
28.
M.
Vafaee
,
S.
Finizio
,
H.
Deniz
,
D.
Hesse
,
H.
Zabel
,
G.
Jakob
, and
M.
Klaui
,
Appl. Phys. Lett.
108
,
072401
(
2016
).
29.
J. F.
Ding
,
Y. F.
Tian
,
W. J.
Hu
,
W. N.
Lin
, and
T.
Wu
,
Appl. Phys. Lett.
102
,
032401
(
2013
).
30.
K.
Nadeem
,
W.
Zhang
,
D. Y.
Chen
,
Z. A.
Ren
, and
X. G.
Qiu
,
Sci. Rep.
5
,
10700
(
2015
).
31.
A.
Bhattacharyya
,
S.
Giri
, and
S.
Majumdar
,
Phys. Rev. B
83
,
134427
(
2011
).
You do not currently have access to this content.