《Applied Surface Science》：Growth process of hybrid heavy metal (Pt)/antiferromagnet (NiO) polycrystalline structures, designed for spintronics applications
编辑推荐：
•
利用磁控溅射技术生长了多晶Pt/NiO薄膜。
•
MgO的取向决定了Pt和NiO层的结构排
- •
利用磁控溅射技术生长了多晶Pt/NiO薄膜。
- •
MgO的取向决定了Pt和NiO层的结构排列。
- •
结晶对称性取决于MgO(001)和MgO(111)基底。
- •
Pt/NiO异质结构在自旋电子器件中具有广泛应用前景。
引言
通过自旋轨道扭矩（SOT）[1], [2]操控磁自旋纹理可以引发多种材料中的电荷与自旋相互作用，为设计自旋电子器件开辟了新的可能性，这些器件在非易失性逻辑、数据存储和其他磁应用领域具有巨大潜力[3], [4]。对于实际的自旋电子应用而言，电流诱导的开关（CIMS）应在没有外部磁场的情况下实现且可重复[5], [6]。除了基于铁磁层的广泛应用系统[7], [8]之外，反铁磁体（AFMs）[9]也作为超快开关[10]或太赫兹发生器[11]的有希望的材料而受到关注。
我们在之前的研究中展示了混合重金属（HM）/铁磁体（FM）/反铁磁体（AFM）系统中的电流诱导磁化切换[12]。最近，利用X射线磁线性二色性（XMLD）研究了带有相邻重金属层的绝缘AFMs[13], [14]以及不带铁磁体时的电流诱导自旋重定向现象。同时，也有研究讨论了可能掩盖SOT诱导开关结果的热噪声[15], [16], [17]，这些噪声可能需要在进行开关前后额外检测AFM的奈尔矢量。虽然X射线二色性技术有助于缓解这些挑战，但也有其他电检测方法被提出[18], [19]。最近的分析还指出，AFM的重定向可能是由热磁弹性效应驱动的[20], [21]。Gomonay和Bossini[22]分析了多畴状态下的磁弹性AFMs的动力学。文献[23]研究了由温度梯度产生的自旋电流驱动的反铁磁磁子激发。论文[24]提出了一种区分HM/AFM系统电流驱动切换的磁性和热性起源的方法。Altieri[25], Krishnakumar[26]和Kozio?-Rachwa?[27]研究了应变和晶格失配对AFM层自旋取向的影响，这些研究主要针对通过分子束外延（MBE）沉积的明确结构。此外，通常在MBE沉积的单晶薄膜中观察到AFM层的电流诱导切换，而通过磁控溅射沉积的多晶多层结构更适合实际的自旋电子应用。
在本研究中，我们对在(0?0?1)和(1?1?1)取向的单晶MgO基底以及Si(0?0?1)/热氧化SiOx基底上生长的Pt/NiO双层进行了比较研究，其中Pt为底层，NiO生长在其上。在我们的研究中，重金属缓冲层（Pt）可以作为底层电极，保护NiO的完整表面以供后续实验使用。所有异质结构都是通过磁控溅射制备的。结果表明，基底类型显著影响了Pt和NiO晶粒的生长模式和晶体取向。具体来说，沉积在MgO(0?0?1)上的Pt/NiO薄膜表现出四种等效的平面内优选取向，而沉积在MgO(1?1?1)上的薄膜则呈现出一个主导的生长方向和一个次要的、较弱的相反取向的各向异性纹理。相比之下，沉积在非晶SiOx种子表面上的Pt/NiO层显示出随机的多晶取向。这些发现为未来将溅射沉积的重金属/反铁磁材料应用于电流驱动器件奠定了基础。
章节摘录
实验
采用了两种类型的单晶MgO基底（MgO(0?0?1)和MgO(1?1?1）通过磁控溅射沉积Pt (5?nm)/NiO (5?nm)双层：沉积前，基底经过氩离子束研磨300秒。Pt层在565°C下从纯Pt靶材中沉积，纯Ar气氛（4?10-3 mbar）中；NiO层在430°C下从纯Ni靶材中沉积，气氛为10:1（氩:氧）（1?10?3 mbar）。
结果与讨论
通过XRR测量（图2）分析了每个样品的层结构，并进行数据拟合。这些测量和相应的拟合结果用于确定沉积层的实际厚度和平均表面粗糙度。MgO(0?0?1)上Pt和NiO层的厚度分别为6.1?nm和4.6?nm，MgO(1?1?1)上分别为7.0?nm和5.5?nm，Si/SiOx上分别为4.5?nm和11.5?nm。Pt/NiO界面的粗糙度值为MgO(0?0?1)上0.6?nm，
总结
总之，我们发现通过磁控溅射在MgO单晶基底上生长的多晶Pt/NiO双层是定向的，其对称轴取决于基底的结晶方向；而在非晶Si/SiOx基底上沉积的参考样品则是完全各向同性的。在MgO(0?0?1)上生长的双层中，Pt(1?1?1)和NiO(1?1?1)晶粒沿四个相等的方向生长，与基底结晶方向成15°的扭曲。
CRediT作者贡献声明
Maciej Czapkiewicz:撰写——原始稿件、可视化、研究、形式分析、数据管理、概念构思。 Krzysztof Grochot:软件、资源、研究。 Witold Skowroński:撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、资金获取、形式分析、数据管理、概念构思。 Anna Kozio?-Rachwa?:撰写——审阅与编辑、可视化、验证、项目管理、方法论、形式分析、数据管理。 Casper Schippers:
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的会影响到本文所报道工作的财务利益或个人关系。
致谢
该项目部分得到了克拉科夫AGH大学 Excellence initiative-research university（IDUB）计划的支持。在国家同步辐射中心SOLARIS的研究得到了波兰科学与高等教育部的支持，合同编号为1/SOL/2021/2。研究还得到了波兰国家科学中心（2021/40/C/ST3/00168）的部分资助。
Maciej Czapkiewicz Krzysztof Grochot Witold Skowroński Anna Kozio?-Rachwa? Casper Schippers Henk Swagten Micha? Grzybowski Marta Gajewska Jaros?aw Kanak
