蓝宝石A面上Co2MnSi薄膜的晶体结构与磁阻的角度依赖性

《Materials Science and Engineering: B》：Crystallographic structure and angular dependences of the magnetoresistance of Co2MnSi films on the sapphire A-plane

　　

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  完成了对Co₂MnSi薄膜磁阻角依赖性的分析。
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  明确了由硬磁轴决定的磁阻角依赖性。
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  通过磁阻角依赖性可确定薄膜的晶体结构。
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  解释了H_c角依赖性的八字形特征以及(022)类型的12种反射现象。

引言

许多赫斯勒合金属于半金属，其电子自旋极化率接近100%。这一特性使得它们在自旋电子学领域具有应用潜力[1]，有望用于开发新型材料和器件。目前已有大量理论和实验研究致力于赫斯勒合金的研究，包括将其作为半金属铁磁体进行研究，相关成果汇总在文献[2]、[3]、[4]、[5]中。含钴的赫斯勒合金在实现半金属性质方面具有很大潜力，其中Co₂MnSi（CMS）合金便是典型代表。第一性原理计算表明，该合金为半金属，其晶格常数a为0.566纳米[6]，居里温度高达985开尔文[7]。不过，通过沉积薄膜或计算方法得到的该合金晶格常数也存在其他数值，如0.563纳米[7]或0.5670纳米[8]。制备CMS薄膜的方法多样，既可以使用复合靶材[9]，也可以为每种元素单独设置靶材[10]，脉冲激光沉积法也被广泛应用。除了其他基底外，蓝宝石A面Al₂O₃（11?20）也是常用的基底[11]、[12]。为获得质量更好的薄膜，通常会使用铬和钒作为种子层[13]、[14]、[15]。

由于基于赫斯勒合金薄膜的微纳结构可用于各类磁性器件（如电流开关器件），因此有必要了解这类结构的磁结构及其相对于晶体学方向的取向。在进行此类研究时，尤其需要注意使微纳结构处于单畴状态[16]。为此，也有不少研究探讨了所制得的赫斯勒合金薄膜的H_c角依赖性及其与薄膜晶体学取向之间的关系[17]、[18]、[19]。在某些情况下，薄膜的磁性质与其晶体学取向之间存在明显关联[20]、[21]；而在其他情况下，二者之间的关联并不明显，甚至完全不明朗。众所周知，对于生长在蓝宝石A面上的赫斯勒合金伪外延薄膜，X射线研究表明薄膜平面内存在六种具有二重对称性的晶粒。在φ扫描中出现的峰值对应的区域可分为四组：第一组中，[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]或[1–1–1]轴沿着蓝宝石基底的C轴方向，由此可形成两种可能的晶粒结构；第二组取向相对于第一组旋转90°，同样包含两种可能的晶粒结构；第三组晶粒的[001]轴与蓝宝石的C轴平行，而第四组晶粒的[001]轴则垂直于蓝宝石的C轴。不同样品中这六种晶粒类型的分布存在细微差异[9]。此类情况下的磁测量结果显示出单轴磁各向异性，在极坐标图中呈现八字形；而且不同研究中所观测到的这种各向异性的方向也相差90°。尽管有观点认为各向异性的最终形态取决于总磁矩——即位于薄膜平面内的磁矩与该磁矩在平面上的投影之和——但这种类型的各向异性至今仍未得到合理解释[16]。事实上，对于薄膜而言，H_c的特定行为并不总是与其晶体学取向相关。有研究指出[22]，易磁轴和硬磁轴都可能位于蓝宝石A面上的基底C轴方向上：对于CMS合金而言，[110]轴是易磁轴，而[100]轴则是硬磁轴[23]、[24]。四重各向异性轴的差异和变化可能是由于局部应力、样品加工方式、生长条件以及薄膜复杂的平面内结构所致。目前还无法从实际薄膜结构出发定量理解这些各向异性现象。因此，尽管结构研究具有重要意义，但仍然无法完全确定生长出的薄膜可能具有何种磁各向异性，也无法给出完整答案。所有这些因素都为研究这类薄膜的磁各向异性提供了动力，而弄清其与薄膜晶体学性质的潜在关联似乎是一项重要任务。本文介绍了在蓝宝石A面上生长的CMS薄膜磁阻角依赖性研究的结果。

章节要点

实验部分

Co₂MnSi（CMS）薄膜是通过脉冲激光沉积技术在超高真空环境中，利用化学计量比的CMS合金复合靶材制备而成的。真空腔内的残余压力低于10^?9托尔。目标蒸发采用了波长为1.079纳米、脉冲持续时间为15纳秒、脉冲重复频率为10赫兹的Q开关固态（AY:Nd + 3）激光器。样品的加热温度范围为20–620摄氏度，基底选用蓝宝石A面平板。沉积过程

结果与讨论

在490–550摄氏度的薄膜生长温度范围内，CMS薄膜的磁阻呈现反比关系，这一温度范围远高于此前研究的其他合金薄膜[20]、[27]；当薄膜生长温度进一步升高到550摄氏度以上时，则不再观察到这种反比关系。

在此类薄膜结构中获得反比各向异性磁阻，可作为这类合金薄膜的重要特征，同时也是判断其性能的重要指标

结论

本研究分析了在蓝宝石A面上通过脉冲激光沉积法制备的CMS薄膜的磁阻特性，研究了是否使用钨种子层对磁阻的影响。在550摄氏度下生长的所有薄膜均表现出反比磁阻，这表明可能存在半金属态。而在620摄氏度下、使用钨种子层在蓝宝石A面上生长的CMS薄膜则具有接近单轴的磁结构，这一结论得到了X射线研究的证实，同时也反映了硬磁轴的位置

作者贡献说明

I.V. Malikov： 文章撰写——综述与编辑、文章撰写——初稿、实验研究、概念构思。V.A. Berezin： 方法论设计、实验研究。D.Yu. Kovalev： 文章撰写——初稿、实验研究。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究成果的已知财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了俄罗斯国家任务IMT RAS编号075-00296-26-00以及ISMAN RAS编号122032900050-6的支持。

作者感谢S.V. Simonov博士和L.V. Malikova在技术方面提供的帮助。

I.V. Malikov|V.A. Berezin|D.Yu. Kovalev