גמגום צמיחה ואפיון של epilayers FeRh הורה B2 Metamagnetic

סיכום

שיטה להכנת שכבות epitaxial של סגסוגות הורתה ידי המקרטעת מתוארת. מתחם FeRh הורה B2 משמש כדוגמא, כפי שהוא מציג מעבר metamagnetic שתלוי ברגישות במידת הסדר כימי והרכב הסגסוגת המדויק.

תקציר

סגסוגות הורה כימי שימושיות במגוון רחב של ננוטכנולוגיה המגנטית. הם מוכנים ביותר בנוחות בקנה מידה תעשייתית באמצעות טכניקות המקרטעת. כאן אנו מתארים שיטה להכנת סרטים דקים epitaxial של FeRh הורה B2 ידי גמגום בתצהיר על גבי מצעי MgO הגביש יחיד. בתצהיר בקצב איטי על גבי מצע מחומם מאפשר זמן לadatoms לשניהם להתיישב לתוך סריג עם יחסי epitaxial מוגדרים היטב עם המצע וגם למצוא מקומות ראויים להם בsublattices פה וRh של מבנה B2. את המבנה מאופיין בנוחות עם reflectometry רנטגן ועקיף וניתן דמיינו ישירות באמצעות חתכי מיקרוסקופ אלקטרונים הילוכים. FeRh הורה B2 מציג שלב מעבר metamagnetic יוצא דופן: מצב היסוד הוא אנטי פרומגנטי אבל סגסוגת הופכת ferromagnet על חימום עם טמפרטורת מעבר אופיינית של כ 380 ק זה מלווה על ידי 1%הרחבת נפח של התא היחידה: איזוטרופיים בכמויות גדולות, אבל הידק רוחבי בepilayer. הנוכחות של מצב היסוד אנטי פרומגנטי ושלב המעבר מהסדר הראשון הקשורים היא רגישה מאוד לstoichiometry equiatomic הנכון והזמנת B2 ראויה, וכך גם אמצעי נוח כדי להדגים את האיכות של השכבות שניתן להפקיד בגישה זו. אנחנו גם נותנים כמה דוגמאות של הטכניקות השונות שבו השינוי בשלב ניתן לאתר.

מבוא

הפרדיגמה של תעשיית המיקרואלקטרוניקה המרכזית היא השיטה של ​​עיבוד מישורי: בתצהיר ודפוסים של סרטים דקים על פני השטח של רקיק של חומר מצע הרציף. לעתים קרובות מאוד, המצע הוא גביש יחיד, והסרטים צריכים להיות epitaxial, כלומר במרשם קריסטל עם המצע הבסיסי. עם חומרים מוליכים למחצה, זה הוא גם השיג בדרך כלל באמצעות epitaxy המולקולרי קורה (MBE) במעבדה ההגדרה ¹ או שלב epitaxy אדי metalorganic (MOVPE) בייצור ^2.

בעוד צמיחת epitaxial של מתכות על ידי MBE אפשרית, הם הופקדו בקלות על ידי מקרטעות, ואת זה הוא השיטה הנפוצה ביותר לתצהיר של סרטים מגנטיים דקים בשני הגדרות תעשייתיות מחקר ו. בעוד ששיטה זו היא נפוצה הקשורים לצמיחה של סרטי polycrystalline, צמיחת epitaxial על מצע גביש יחיד אפשרי בתנאים מסוימים 3. אלה כוללות בדרך כלל טמפרטורה גידלה מצע (לפחות לשכבות הראשוניות), שיעור בתצהיר איטי, ולחץ בסיס תא ואקום נמוך. גישה זו כבר משמשת להכנת חומרים ענק רב שכבתי magnetoresistance ^{4, 5,} למשל.

במעבדה שלנו, יש לנו בשימוש המקרטעת epitaxial להכין מגוון רחב של חומרים מגנטיים על מצעי גביש יחיד. זה כבר אפשרי לגדול epilayers סגסוגת CoFe על GaAs (001), למשל, על ידי בחירת הרכב Co ₇₀ פה ₃₀ בהתאמה הסריג ^6. חומר זה הוא פתרון מלא, שבו אטומי Co ו פה באופן אקראי לאכלס את אתרי סריג עותק מוסתר. אנחנו גם גדלנו הורה כימי סגסוגות מגנטיות, שבו המינים אטומיים השונים נדרשים לקחת את אתרי סריג מסוימים. פרוטוקול הצמיחה נתאר כאן פותח בתחילה לצמיחה של סגסוגות L1 ₀ מסודרים FePd וFePt, יש בם עניין שלאינס ברשותם אנאיזוטרופיה magnetocrystalline גבוה מאוד ^7. יש לנו חקרנו את הקשר בין תחבורה בליסטית וdiffusive ספין מקוטב ^{8, 9} ואת ההשפעה החריגה הול ¹⁰ בחומרים אלה, שהם באיכות דומה לשכבות גדלו ^ב11 MBE.

כאן אנו להדגים שיטת גידול epitaxial שלנו באמצעות הדוגמא של epilayers FeRh הורה B2. פה וRh יהוו סגסוגות בכל הרכב, לעומת זאת מתחם הורה B2 הוא מצב שיווי המשקל לstoichiometries בטווח הקרוב equiatomic 49-53% ¹² פה אטומיים. α זה מה שנקרא "- השלב הוא antiferromagnet (AF) שמפגין בשלב מעבר מסדר ראשון על חימום, הופך α ferromagnet 'שלב (FM) סביב _T T = 350 → 400K ^{13, 14, 15.} מעבר metamagnetic זה בין שתי המדינות השונות, אבל שניהם הזמינו באופן מלא מגנטיות (סוג II AF ¹⁶ וFM)מלווה ב1% הרחבת נפח איזוטרופיים בסריג B2 ^{17, 18,} ​​האנטרופיה גדולה לשחרר ^19, ירידה גדולה בהתנגדות ^14, ועלייה גדולה בריכוז המוביל ^20. השתברות ניטרונים ^{21, 16} ולאחרונה XMCD מדידות ²² לציין כי חלק מ3.3 μ המומנט המגנטי _B התרכז פה בשלב AF מועבר לRh בשלב FM, עם μ _פה ~ 2.2 μ _{B ו-μ Rh} ~ 0.6 μ _B. טמפרטורת קירי עבור FM α 'שלב הוא ~ 670 K ^14, דומה לטמפרטורת קירי של סגסוגות עם x> 0.53 ^23. טמפרטורת מעבר metamagnetic _T T היא רגישה מאוד להרכב × בפה _× Rh _{1 - ×} ^{23, 24,} ומדוכא על ידי ~ 8 K / T של בדיוני מגנטי שימושי^{25 ישנות, 15.} מגוון עשיר זה של התנהגות פיזית תלוי באופן קריטי בהשגת מבנה הורה B2 הראוי וכך מאפשר מגוון רחב של טכניקות מדידה להתפרס לאיתור הזמנה כימית תקינה בדגימה, מה שהופך את דוגמא נוחה להדגים שיטה של ​​גידול גבוה איכות הורה epilayers סגסוגת.

פרוטוקול

בפרוטוקול זה, סרטים דקים של סגסוגת FeRh הורה נעשים עם המקרטעת dc-magnetron על MgO (001) מצעים. הדגימות גדלים בשדה מגנטי של כ -200 Oe המסופק על ידי מערך מגנט קבוע, המשמש להגדרת אנאיזוטרופיה מגנטי במטוס. קוטר היעד הוא 50 מ"מ והמרחק בין היעד והמצעים הוא כ 10 סנטימטר. לגדול FeRh, משמש אקדח magnetron טורוס dc-מגנטי מתאים לחומרים מגנטיים. תנורי נורות ממוקמות 2 ס"מ מעל מצעים ומוקפים בגליל מתכת כדי לשמור על הנפח המחומם קטנים. הטמפרטורה המקסימלית האפשרית במערכת זו היא ~ 1,050 ק מערכת זו היא מסוגלת להחזיק 24 מצעים שונים, עם זאת, אנחנו בדרך כלל לגדול פחות מ 10 בעת ביצוע דגימות epitaxial בשל אילוצי זמן. הפרטים שהוצגו כאן לדוגמא פרוטוקול הכנה זו ידועים לעבוד גם במערכת הוואקום שלנו. כמו שיש הרבה מערכות ואקום שווה ערך ששונה בפרטיהםים, את הדרישות לפרמטרים כמותיים כגון טמפרטורה, זמן, וכו '. אולי גם לקחת ערכים אופטימליים שונים במערכות אחרות. עם זאת, התיאור שלהלן יוכיח מדריך שימושי לקורא.

בפרוטוקול מפורט להלן, הנחה הוא שהקורא מכיר את העקרונות הבסיסיים של תרגול ואקום טוב, כגון שימוש בכפפות כדי לטפל בכל המרכיבים אשר ייכנסו לתא הוואקום [ראה, למשל, התייחסות 26].

1. מצע ויעד הכנה

סעיף זה מתאר את ההכנה של חדר גמגום בתצהיר ומצעי MgO הגביש היחיד.

1. יש לשטוף (001) מצעי MgO בisopropanol ולעגן אותן בבעלי המצע. טען האלה לתוך תא הוואקום.
2. הר את יעד FeRh באקדח magnetron ולהרכיב מחדש את האקדח. לדוגמה עם הרכב equiatomic, מצאנו כי יעד עם פה ₄₇Rh ₅₃ הוא מתאים ביותר, מניב שלב מעבר magnetostructural הברור ביותר. בדוק שאין קצר בין magnetron והמגן שמסביב. בדומה לכך, להכין כל יעד (ים) שישמש למכסת שכבות.
3. סגור את תא הוואקום ולשאוב אותו.
4. ברגע שהאבק הוא טוב יותר מאשר 1 x 10 ^-6 טור, לחמם את מצעים ל870 ק צג שיעור רמת הוואקום וחימום כדי לוודא שהלחץ לא עולה מעל רמה זו. להחזיק בטמפרטורה זו למשך לילה.
5. שעה אחת לפני תחילת צמיחה, תתחיל לזרום חנקן נוזלי באמצעות מלכודת מייסנר. הוואקום צריך לשפר ליותר מ 4 x 10 ^-7 טור.
6. הגדר את הזרימה ההמונית בקר ל65 SCCM של זרימת גז עובדת. גז גמגום הוא Ar עם מימן 4%, כדי למנוע חמצון מדגם במהלך צמיחה. פתח את זרימת גז השסתום. הלחץ בתא צריך לעלות לטווח mTorr הנמוך.
7. לפני הצמיחה, טרום גמגום יעד FeRh עבור1,200 שניות ב30 W.

2. Epilayer הפקדת

סעיף זה מתאר בתצהיר של שכבת FeRh ידי המקרטעת dc-magnetron.

1. התאם את נקודת הזרימה ההמונית בקר המוכן לתת לחץ בתא של 4 x 10 ^-3 טור. לאפשר את הלחץ להתיישב לערך יציב.
2. בדוק שטמפרטורת המצע נשארה ב870 K והוא יציב.
3. החל כוח magnetron להניב שיעור בתצהיר כולל של 0.4 Å / sec. בתאים מצוידים בצג גביש קוורץ, זה יכול להיעשות באמצעות צג שאם מכויל כראוי. אם קאמרי אין צג גביש קוורץ, מדידות עובי הודעה צמיחה יכולות להיות מועילות, כמו גם רמה גבוהה של שחזור בין ריצות.
4. פתח את התריס ולהפקיד FeRh על המצע המחומם לאורכו של הזמן המתאים כדי לתת את העובי הרצוי. לדוגמא, בתצהיר שניות 500 יניבו מדגם ננומטר 20 עבה.
5. סגור את התריס.
6. כבה את אספקת החשמל לmagnetron.
7. סגור את ברז הגז.
8. להעלות את טמפרטורת המדגם ל970 ק החזק את הדגימות בטמפרטורה זו למשך שעה אחת. הלחץ צריך להישאר טוב יותר מאשר 1 x 10 ^-6 טור לאורך כל דרך. ניתן למצוא את ההשפעות של משתנה טמפרטורה לחשל זה בדה פריס ואח'. ²⁰
9. יכבה תנור ולקרר את הדגימות לטמפרטורת חדר. במערכת זו, זה לוקח לפחות שלוש שעות.
10. להפקיד כל שכבת מכסת הנדרשת, תוך שימוש בצעדים דומים לצעדים 2.1-2.7. הפקדת שכבת מכסת בטמפרטורה מתחת ~ 370 K היא חיונית כדי למנוע interdiffusion לתוך שכבת FeRh ^27.
11. Vent קאמרי עם חנקן יבש, לפתוח אותו, ולהסיר את הדגימות. הם צריכים להופיע בהירים ומבריקים.

3. אפיון לאחר צמיחה שגרתית

סעיף זה מספק סקירה של characterizati הבסיסיעל צעדים שבוצעו ברוב דגימות FeRh שלנו. כמו שיש הרבה שיטות שווה ערך אפשריות לביצוע מדידות אלה, אופי התיאורים כאן הם פחות מפורט וכללים, ובמקום להתרכז בתכונות חיוניות של כל מדידות כאלה.

1. לבצע סריקת רפלקטיביות Χ-ray זווית נמוכה כדי לקבוע את עובי המדגם. הר את המדגם בdiffractometer וליישר אותו בω עם זווית הגלאי 2 θ ≈ 1 °. אם זמין, צריך גם להיות מיושר χ. הפעל סטנדרטי θ-2θ סריקה עם θ פועל בין 0 ° עד שתגיע לרצפת הרעש של המכשיר, בדרך כלל פעם אחת θ ≥ 6 ° למדגם באיכות טוב. שוליים ברורים Kiessig (הפרעות סרט דק) צריכים להיות גלויים, שממנו ניתן לקבוע את עובי epilayer.
2. לבצע סריקה עקיפה Χ-ray בזווית גבוהה כדי לקבוע את מידת הסדר כימי. זו יכולה להיות מכוניתRied עם המדגם עדיין רכוב בdiffractometer משלב 3.1. שיא מצע MgO צריך להימצא (ב2 θ = 42.9 ° אם נעשתה שימוש בקרינת _α Cu K) והמדגם מיושר שוב בω. שוב, להפעיל θ θ -2, מכסה לפחות את הטווח 12.5 ° <θ <62.5 ° (בהנחה שוב קרינת _α Cu K), כך ששני FeRh (001) ו( 002) פסגות, כמו גם את שיא המצע, הם כבשו.
3. לבצע מדידה של התלות בטמפרטורה של ההתנגדות לדוגמה כדי לקבוע את טמפרטורת המעבר. הפוך מגעים חשמליים לדוגמא כך שמדידת 4 נקודות סטנדרטיות יכולה להיעשות כדי להימנע מבעיות בהתנגדות ליצירת קשר. במידה והשתמשה בשיטה dc, לבצע מדידות לקדימה לאחור כיוונים הנוכחיים וההתנגדויות בממוצע כדי null את כל EMF תרמי שנוצר בטמפרטורות גבוהות. לאחר מכן למקם את המדגם בהמשך טמפרטורהשלב חם התגלגל (בהגדרת השלב זה הוא בתא ואקום גבוה שאוב טורבו קטן כדי להיות בטוח להימנע מכל חמצון), ולמדוד את ההתנגדות כפונקציה של טמפרטורה על החימום וגם קירור מטאטא כך שhysteresis כל ב שלב מעבר magnetostructural הצו הראשון ניתן לקבוע.

תוצאות

הכנו דגימות FeRh רבות בהתאם לפרוטוקול זה. בסעיף זה אנו מציגים תוצאות טיפוסיות שהושגו באמצעות נהלי אפיון הנפוצים ביותר לבחירה של מדגמים מייצגים. תוצאות כגון אלו צפויות לדגימות בננומטר 20-50 טווח עובי. שיטות אחרות ששמשנו לאפיון החומר שלנו יותר לעומק כוללות dichroism רנטגן המגנטי מעגלי ^28, מרעה רנטגן שכיחות פיזור ^29, וreflectometry ניטרונים המקוטב ^30. יש לנו גם חקרו את ההשפעות של שימוש בסמי סגסוגת עם ²⁷ Au. ניתן למצוא נתונים נוספים על התכונות שניתן לצפות מחומר זה בדיווחים אלה, והאזכור כלול בו.

המבנה של אחד מepilayers שלנו מוצג בפירוט בmicrographs האלקטרונים הילוכים מוצגים באיור 1. מדגם החתך הוכן על ידי המנקדים קונבנציונליים וליטוש יון טקnique-שיטת הכנת דגימה סטנדרטית (ראה, למשל וויליאמס וקרטר ^{ביום 31)} - ונצפה באמצעות קרן אלקטרונים 200 KV. שכבת המבנה הכולל שניתן לראות באיור 1 (א). במקרה זה, סרט FeRh 30 ננומטר היה גדל epitaxially על גבי מצע MgO, ואחריו שכבת Cr ~ 4 ננומטר ו ~ 1 שכבת אל ננומטר עבה. (שכבת Cr נכללה כאן לניסוי מסוים ואין צורך באופן כללי). החספוס של ממשקי FeRh / MgO וFeRh / Cr הוא 0.6 ננומטר ו2.8 ננומטר, בהתאמה, כפי שנמדד מהתמונה. באיור 1 (ב) מיקרוסקופ ברזולוציה גבוהה של ממשק MgO / FeRh מוצג. יחסי epitaxial כפי שאושרו מעקיפת האזור שנבחרה הוא FeRh [100] (001) | | MgO [110] (001). התאמת הסריג פני הממשק ממחישה את האיכות הגבוהה של צמיחת epitaxial. אנחנו לא מראים את הנתונים כאן, אבל השתמשנו ספקטרוסקופיה רנטגן נפיצה האנרגיה בTEM כדי לבדוק את הרכב על מבחר של דגימות:זה תמיד היה equiatomic לבתוך אי הוודאות של המדידה.

נתוני reflectometry Χ-ray מוצגים באיור 2 ל25 FeRh העבה ננומטר נומינלי epilayer הכתיר בשכבה של אל דק, polycrystalline. המדידה בוצעה בdiffractometer שני מעגל סטנדרטי בגיאומטריה בראג-רנטאנו, באמצעות קרינת _α Cu K (λ = .1541 ננומטר), עם מסנן Ni כדי להחליש את קרינת _α K. השוליים בולטים Kiessig, שנובעים מההתערבות של קורות רנטגן המשקפים מהממשקים השונים בשכבת המחסנית, מצביעים על כך שממשקים אלו הם חלקים ומתואמים היטב. הקו האדום המוצק מציג את הנתונים שבוצע באמצעות תוכנת GenX ³² כושר. הפרמטרים בכושר הטובים ביותר עבור המבנה רב שכבתי מוצגים בטבלה 1. העובדה שחלק מהשכבה אל יהיה חמצון ופסיבציה עצמי פעם אחת המדגם חשוף to אוויר מטופלת במודל.

נתונים עקיפה Χ-ray עבור המדגם זהה מוצגים באיור 3, שנאספו על אותו המכשיר. (002) ההשתקפות של מצע MgO היא חזקה וחדה מספיק כדי לפתור את Cu K _α 1and K _α 2 קווים. שכבות FeRh מראה גם (001) ו( 002) השתקפויות. יש קצת הרחבה בשל העובי הסופי של הדרגות epilayer ומתח. (002) שיא B2 FeRh מרוכז ב2 θ = 61.3 ° ± 0.02, מניב בממוצע מחוץ למטוס קבוע סריג של 3.02 ± 0.05 א. אפשר לקבוע את S פרמטר סדר הכימי של מבנה B2 FeRh מהעוצמות משולבות היחסית של שתי פסגות אלה. כמות זו מוגדרת כS = R _פה + R -1 _Rh, שבו חלק קטן מאתרים פה (Rh) שנכבשו על ידי Fe (Rh) הוא אטום ^33. בדיקה קצרה של הנוסחה מציגה tכובע כאשר r = r _{פה Rh} = 1 והמבנה הוא מושלם, S = 1, ואילו כאשר r = _פה r = _Rh 0.5, כך שכל אתרי הסריג עסוקים באופן אקראי, S = 0. הסיבה לכך היא שכאשר S = 0 מבנה ממוצע האתר הוא עותק מוסתר, שעבורו גורם המבנה אוסר על ההשתקפות (001), ואילו כאשר S = 1 המבנה הוא פרימיטיווי מעוקבים, שעבורו את ההשתקפות (001) מותרת. משמעות דבר היא כי במונחים מעשיים, , שבו ו - הם עוצמות הניסיוניות ותיאורטיות של ההשתקפות (00 I) בראג, בהתאמה ^33. לCalculation של העוצמות התיאורטיות גורמי דביי-ולר ממדידות EXAFS על FeRh שימש ^34. במקרה זה, S = 0.855 ± 0.001, אופייניים לסרט דק גמגם של חומר זה.

שלב מעבר metamagnetic ניתן לאתרם בכמה דרכים. נוכחותה מצביעה stoichiometry equiatomic הנכון וB2-הזמנה של הסריג. התרחבות הסריג המלווה את מעבר metamagnetic עשוי להיות מזוהה על ידי השינוי בעמדתו של ראג ​​פסגות ^27, עם זאת, זה דורש diffractometer עם שלב חימום.

אולי השיטה הברורה ביותר היא לזהות את המראה של הרגע פרומגנטי כמדגם מחומם באמצעות _T T. ניתן לעשות זאת באמצעות כל מגנטומטר תלוי טמפרטורה ברגישות מספקת, למשל באמצעות האפקט קר מגנטו אופטי או מגנטומטר מדגם רוטט. באיור 4 מציגים אתתלות בטמפרטורה של M המגנטיזציה, נמדדה באמצעות מכשיר קוונטיים הפרעה מוליכי מגנטומטר (SQUID). מדידות נעשו בטמפרטורה בטווח של 275-400 K עם שיעור לטאטא טמפרטורה של 2 K / דקה. העקומה מוצגת מציגה את המעבר הצפוי AF → FM (חימום) והמעבר FM → AF (קירור) עם hysteresis תרמית 15 K. מדידה זו נעשתה בתחום גבוה (50 קואי) והניבה טמפרטורת מעבר 365 ק טמפרטורת מעבר _T T ≈ היא שדה תלוי, כמו שדה מגנטי גבוהה יותר מקטין את האנרגיה החופשית של שלב FM ביחס לשלב AF. בדרך כלל dT _T / ≈ dH 0.8 ח"כ / Oe ^{14,15, 27.} שים לב שהמומנט המגנטי בשלב AF הוא לא בדיוק אפס, אבל הוא כמה עשרות האיחוד המוניטרי האירופי / ³ סנטימטר, כאשר בממוצע לכל הנפח של המדגם כולו. רגע זה שוכן באזורים הקרוב לממשק של epilayer FeRh, אשר נותרו ferromagnetic (אם כי עם המגנטיזציה מופחתת), כאשר חלק הארי של המדגם הופך את שלב AF ^{28, 30.}

דרך לזהות את המעבר שמשתמש בציוד פשוט יותר ומשמש לעתים קרובות במעבדה שלנו היא להפוך את מדידת הובלת אלקטרונים. המדידה הפשוטה ביותר היא של ρ התנגדותו של הסרט, שכן ρ בשלב FM הוא הרבה פחות מאשר בשלב AF ^{35, 36, 20.} התלות בטמפרטורה של ρ עבור אותו epilayer FeRh ננומטר 25 לגביו יש נתון רנטגן הוצגו היא להתוות בתרשים 5, נמדד תוך שימוש בשיטת בדיקה ארבע נקודות סטנדרטית:, סיכות מצופה זהב קפיץ נלחצו על המדגם פני השטח כדי ליצור קשר לדוגמא, שהיה רכוב על שלב חימום בתא ואקום מותאם אישית קטן כדי למנוע חמצון מדגם כאשר חם. ליניארי, ρ המתכתי תלות (T) היא לראות בשני AF ושלבי FM, אבל יש ירידה ניכר בresistivity בין שתיים. Hysteresis לראות באיור 5 היא טביעת אצבע ברורה של מקום המעבר לוקח שלב magnetostructural והיא שיטה נוחה כדי למדוד את טמפרטורת המעבר, אשר ניתנת על ידי נקודת המינימום בdρ / dT (שמוצגת בהבלעה של איור 5). נכס אחר שנמדד בקלות תחבורה, אפקט הול, יכול לשמש גם כדי לאשר את קיומו של המעבר, כפי שיש הבדל גדול במקדם האולם בין שני השלבים ^20.

איור 1. micrographs אלקטרון הולכה של epilayer FeRh על מצע MgO. (א) תמונה הממחישה את המבנה של השכבה. FeRh הוא 30 ננומטר עבה עם ננומטר שכבה נוספת ~ 4 Cr ו ~ כובע אל 1 ננומטר שהופקדה על העליונה. אזור אמורפי בחלק העליון של i קוסם הוא שרף אפוקסי שימוש במהלך הכנת מדגם חתך. (ב) תמונה ברזולוציה גבוהה של ממשק MgO FeRh. [100] (001) התאמת epitaxial על פני הממשק נראית כאן, ואת מערכת היחסים הקשורים, כפי שאושר מעקיפת האזור שנבחרה, היא FeRh | | MgO [110] (001). דמות גדולה יותר לחץ כאן לצפייה

איור 2. ספקטרום reflectometry רנטגן מFeRh עבה ננומטר 25 epilayer כתרים עם polycrystalline אל. הקו המוצק הוא כפי שמתואר בטקסט, שימוש בפרמטרים נתון בטבלה 1 לנכון. הבלעה מראה את פרופיל צפיפות אורך פיזור קשור עם סט של פרמטרים מתאימים."Target =" g2highres.jpg _blank "> לחץ כאן כדי להציג דמות גדולה

איור 3. ספקטרום רנטגן עקיפה מFeRh העבה ננומטר 25 epilayer כתרים עם polycrystalline אל. הנוכחות (001) שיא FeRh מציינת כי הזמנת B2 התרחשה. פרמטר הסדר הכימי הוא S = .855 ± 0.001, כפי שנקבע באמצעות השיטה המתוארת בטקסט. לחץ כאן כדי להציג דמות גדולה

איור 4. תלות בטמפרטורה של M המגנטיזציה של epilayer 50 ננומטר העבה FeRh כתרים עם polycrystalהשורה אל. נתונים אלה נלקחו עם שדה קואי 50 יושם במטוס הסרט. _{T T} טמפרטורת המעבר נתפסת להיות ~ 365 K עם רוחב hysteresis של -15 ק לחץ כאן כדי להציג דמות גדולה

איור 5. תלות בטמפרטורה של ρ ההתנגדות של 25 שכבה עבה FeRh ננומטר כתרים עם אל. הבלעה היא הנגזרת של ρ ביחס לטמפרטורת T. _{T T} טמפרטורת המעבר נתפסת להיות 447 K על ההתחממות לשלב FM ו375 K על הקירור לשלב AF. לחץ כאן כדי להציג דמות גדולה

שכבה	צפיפות (אטומים / ננומטר 3)	עובי (ננומטר)	חספוס (ננומטר)
Al 2 O 3 שכבת פסיבציה	25.5 ± 0.9	2.18 ± 0.08	1.0 ± 0.1
כובע אל	60.6 ± 0.6	0.91 ± 0.02	0.6 ± 0.2
FeRh epilayer	38.7 ± 0.3	25.09 ± 0.06	0.400 ± 0.002
מצע MgO	53.4 ± 1.3	∞	0.1761 ± 0.0003

טבלה 1. פרמטרים מתאימים לספקטרום רפלקטיביות רנטגן שמוצג באיור 2, מה שמוביל לפרופיל צפיפות אורך פיזור מוצג בהבלעה של איור ש.

דיון

כאן יש לנו הראינו כי בשיטה זו ניתן להשתמש כדי להכין את דגימות epilayer של FeRh של איכות קריסטלוגרפיים טובה ורמה גבוהה של סדר כימי B2. השיטה מתאימה להכנת מגוון רחב של שכבות מתכתיות epitaxial, כוללים סגסוגות הורו. בעוד יש לנו להשתמש סגסוגת FeRh הורה B2 כדוגמא כאן, כפי שהוא מראה שלב מעבר דרמטי כאשר stoichiometry נכון והזמנה כימית קיימת, שיטה זו יכולה לשמש גם לחומרים אחרים. למשל, יש לי שתי FePd וFePt L1 ₀ שלבים, מה שמוביל לאנאיזוטרופיה magnetocrystalline uniaxial חזק מאוד. יש לנו גדלו בהצלחה את החומר הזה בעבר, מראה קיר תחום התנגדות בFePt ^8, ואפקטי הול חריגים גדולים בשני FePd וFePt ^10. עם התאמה נאותה של טמפרטורות צמיחה ושיעורים ובחירה מתאימה של מצע, בשיטה זו צריכה להיות שימושי להכנת מגוון רחב של different epilayers מתכת מגנטית ולא המגנטי בו מוצגות סדר כימי.

עם זאת, הגבלה של גישה זו היא הצורך במצע גביש יחיד להשיג epitaxy. משמעות דבר היא קשיים יהיו נתקלו בביצוע ניסויים כגון אלקטרון הולכה תכנית השקפה או במיקרוסקופ רנטגן או השתלבות בטכנולוגיה הבנויה על רקיק מצע אחר כגון סי כמעט בכל מקום. אמצעים אפשריים כדי לעקוף בעיה זו הוא לגדול בשכבה דקה על MgO אשר לאחר מכן ניתן להפקיד FeRh. זה יכול להניב מרקם מחוץ למטוס שnucleates צמיחת epitaxial מקומי בחלק העליון של כל גרגר MgO ^37. למרבה הפלא, זה אפשרי לגדל שכבה דקה MgO שיש לו גם מרקם (001) ויישור קריסטלוגרפיים במטוס על משטח אמורפי באמצעות שיטה עם יון קורה לסייע אקדח שמכוון על 45 מעלות למצע הרגיל ^38. זה יכול לאפשר צמיחה של FeRh הורה B2 בלמשל אלקטרון או לא רנטגן₄ ממברנות ransparent Si ₃ N, שהם מסוגלים לשרוד בטמפרטורות צמיחה גבוהות הנדרשות בפרוטוקול שלנו, או על שכבת תחמוצת יליד פרוסות סיליקון Si.

חידודים נוספים של השיטה כוללים שימוש בunderlayers הורה B2, כגון NiAl ^39, כדי לקדם B2 הזמנה נוסף, בepilayer FeRh כאשר הוא דק במיוחד, או את השימוש בו כדי לבנות heterostructures מעורב שכבות כימי הורה מרובה ^37. מאז FeRh יכול להיות מסומם באתר Rh להתאים את טמפרטורת _T עד מעבר T (למשל באמצעות ^{40 עיר, 41} או ^{40 Pt, 42)} או למטה (למשל באמצעות ^{40 Au, 27} או ^{40 פ"ד, 43),} יצירת סימום פרופילים בשכבות FeRh יכול להוביל לפרופילים מגנטיים מעוצבים כבמדגם מחומם ומקורר. זה מפותח את דרך ליצירת ריבוד טהור מגנטי של epilayer בדרך לשליטה ^44.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה

שם	חברה	מספר קטלוג	הערות
מערכת תצהיר מקרטע	קורט ג'יי לסקר חברה	בהתאמה אישית
מצע גביש יחיד MgO	Pi-Kem	חד צדדי epi-מלוטש	(001) כיוון
FeRh מקרטע	Pi-Kem	בהתאמה אישית	בקוטר 50 מ"מ
מיקרוסקופ אלקטרונים שידור	FEI	Tecnai TF20
דיפרקטומטר רנטגן	Brü קר	D8 Discover
מגנטומטר דיונון	עיצוב קוונטי	MPMS-XL 5