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Engineering

Metamagnetic बी 2 के आदेश दिए FeRh Epilayers की धूम विकास और विशेषता

Published: October 5, 2013 doi: 10.3791/50603

Summary

Sputtering ने आदेश दिया मिश्र का epitaxial परतों को तैयार करने के लिए एक विधि का वर्णन किया है. यह रासायनिक आदेश और मिश्र धातु की सटीक संरचना की डिग्री पर संवेदनशीलता निर्भर करता है कि एक metamagnetic संक्रमण को प्रदर्शित करता है के रूप में बी 2 के आदेश दिए FeRh परिसर, एक उदाहरण के रूप में प्रयोग किया जाता है.

Abstract

रासायनिक आदेश दिया मिश्र चुंबकीय Nanotechnologies की एक किस्म में उपयोगी होते हैं. वे सबसे सुविधाजनक sputtering तकनीक का उपयोग कर एक औद्योगिक पैमाने पर तैयार कर रहे हैं. यहाँ हम एक क्रिस्टल एम जी ओ substrates पर बयान धूम द्वारा बी 2 के आदेश दिए FeRh की epitaxial पतली फिल्मों की तैयारी के लिए एक विधि का वर्णन. एक गर्म सब्सट्रेट पर एक धीमी दर पर बयान दोनों को adatoms के लिए समय B2 संरचना के फे और आरएच sublattices में उनका उचित स्थान तलाशने के लिए भी सब्सट्रेट के साथ एक अच्छी तरह से परिभाषित epitaxial रिश्ते के साथ एक जाली में बसा है और अनुमति देता है. संरचना सुविधा एक्स - रे reflectometry और विवर्तन के साथ होती है और ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोग्राफ पार वर्गों का उपयोग सीधे देखे जा सकते हैं. बी 2 के आदेश दिए FeRh एक असामान्य metamagnetic चरण संक्रमण दर्शाती: जमीन राज्य antiferromagnetic है लेकिन मिश्र धातु यह एक 1% के साथ है के बारे में 380 कश्मीर के एक ठेठ तापमान परिवर्तन के साथ हीटिंग पर एक ferromagnet में बदल देती हैयूनिट सेल की मात्रा विस्तार: थोक में isotropic, लेकिन laterally एक epilayer में clamped. antiferromagnetic जमीन राज्य और एसोसिएटेड पहले के आदेश चरण संक्रमण की उपस्थिति सही equiatomic stoichiometry और उचित बी 2 आदेश देने के लिए बहुत संवेदनशील है, और इसलिए इस दृष्टिकोण के साथ जमा किया जा सकता है कि परतों की गुणवत्ता को प्रदर्शित करने के लिए एक सुविधाजनक साधन है. हम भी चरण में परिवर्तन का पता लगाया जा सकता है जिसके द्वारा विभिन्न तकनीकों के कुछ उदाहरण दे.

Introduction

अनुक्रमिक बयान और सब्सट्रेट सामग्री की एक वेफर की सतह पर पतली फिल्मों की patterning: माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक उद्योग के केंद्रीय प्रतिमान तलीय प्रसंस्करण की विधि है. बहुत बार, सब्सट्रेट एक क्रिस्टल है, और फिल्मों epitaxial होने की जरूरत है, कि अंतर्निहित सब्सट्रेट के साथ क्रिस्टल रजिस्टर में कहने के लिए है. अर्धचालक सामग्री के साथ, यह आम तौर पर 2 के निर्माण में 1 या metalorganic भाप चरण Epitaxy (MOVPE) की स्थापना एक प्रयोगशाला में आणविक बीम Epitaxy (एम बी इ) का उपयोग कर या तो हासिल की है.

एमबीई से धातुओं की epitaxial विकास संभव है जबकि, वे आसानी से sputtering द्वारा जमा है, और यह अनुसंधान और औद्योगिक सेटिंग्स दोनों में पतली चुंबकीय फिल्मों के बयान के लिए सबसे आम तरीका है. इस विधि सामान्यतः एक एकल क्रिस्टल सब्सट्रेट पर polycrystalline फिल्मों, epitaxial विकास के विकास के साथ जुड़ा हुआ है जबकि कुछ शर्तों के तहत संभव है 4, 5 को तैयार करने के लिए इस्तेमाल किया गया है.

हमारी अपनी प्रयोगशाला में, हम एकल क्रिस्टल substrates पर चुंबकीय सामग्री की एक किस्म तैयार करने के लिए epitaxial sputtering का इस्तेमाल किया है. यह जाली से मिलान सह 70 फ़े 30 रचना 6 का चयन करके, उदाहरण के लिए, GaAs (001) पर COFE मिश्र धातु epilayers विकसित करने के लिए संभव हो गया है. इस सामग्री को सह और Fe परमाणुओं बेतरतीब ढंग से बीसीसी साइटों जाली आबाद जहां एक ठोस समाधान है. हम भी विभिन्न रासायनिक परमाणु प्रजाति विशेष जाली साइटों को लेने की आवश्यकता है, जहां चुंबकीय मिश्र, का आदेश दिया हो गए हैं. हम यहाँ का वर्णन होगा विकास प्रोटोकॉल शुरू में रुचि है जो कर रहे हैं एल 1 0 के आदेश दिए FePd और FePt मिश्र, के विकास के लिए विकसित किया गया थाince वे एक बहुत ही उच्च magnetocrystalline anisotropy 7 के पास है. हम बैलिस्टिक और वाचाल स्पिन polarized परिवहन 8, 9 और एम बी इ 11 की वृद्धि हुई परतों के लिए तुलनीय गुणवत्ता के हैं जो विषम हॉल प्रभाव इन सामग्रियों में 10, के बीच संबंध का अध्ययन किया है.

यहाँ हम बी 2 के आदेश दिए FeRh epilayers के उदाहरण का उपयोग हमारी epitaxial विकास विधि समझाना होगा. फे और आरएच हालांकि एक बी 2 के आदेश दिए परिसर के पास equiatomic रेंज 49-53% परमाणु फ़े 12 में stoichiometries के लिए संतुलन राज्य है, किसी भी रचना पर मिश्र बनेगी. इस तथाकथित α "- चरण → 400K 13, 14, 15 = 350 टी टी चारों ओर एक α 'चरण ferromagnet (एफएम) बनने, हीटिंग पर एक पहली आदेश चरण संक्रमण दर्शाती है कि एक antiferromagnet (वायुसेना) है. दो अलग लेकिन दोनों पूरी तरह से आदेश दिया चुंबकीय राज्यों (प्रकार द्वितीय वायुसेना 16 और एफएम) के बीच इस metamagnetic संक्रमणबी 2 जाली 17, 18 में एक isotropic 1% मात्रा विस्तार के साथ है, एक बड़े एन्ट्रापी, प्रतिरोधकता 14 में एक बड़ी गिरावट, और वाहक एकाग्रता 20 में एक बड़ी वृद्धि 19 जारी. न्यूट्रॉन विवर्तन 21, 16 और अधिक हाल ही में XMCD माप 22 μ फ़े के साथ, एफएम चरण में आरएच को सौंप दिया है वायुसेना चरण में फे पर केन्द्रित 3.3 μ बी चुंबकीय क्षण के उस हिस्से का संकेत ~ 2.2 μ बी और μ आरएच ~ 0.6 μ बी. एफएम के लिए क्यूरी तापमान α 'चरण X> 0.53 23 के साथ मिश्र की क्यूरी तापमान के लिए 670 कश्मीर में 14, तुलनीय ~ है. metamagnetic संक्रमण तापमान टी टी × रचना के लिए बेहद संवेदनशील है फ़े × आरएच 1 - × 23, 24, और चुंबकीय लागू फाई की ~ 8 कश्मीर / टी द्वारा दबा दिया जाता हैवृद्धावस्था 25, 15. शारीरिक व्यवहार इस अमीर सरणी उचित बी 2 के आदेश दिए संरचना को प्राप्त करने पर निर्भर करता है और इसलिए बढ़ रही है की एक विधि को प्रदर्शित करने के लिए यह एक सुविधाजनक उदाहरण हैं, जिससे एक नमूना में उचित रासायनिक आदेश देने का पता लगाने के लिए तैनात किया जा माप तकनीक की एक विस्तृत विविधता परमिट उच्च गुणवत्ता मिश्र धातु epilayers का आदेश दिया.

Protocol

इस प्रोटोकॉल में, आदेश दिया FeRh मिश्र धातु की पतली फिल्मों MgO (001) substrates पर डीसी magnetron sputtering साथ बना रहे हैं. नमूने एक में विमान चुंबकीय anisotropy सेट करने के लिए प्रयोग किया जाता है जो एक स्थायी चुंबक सरणी, द्वारा प्रदान के बारे में 200 ँ की एक चुंबकीय क्षेत्र में बड़े हो रहे हैं. लक्ष्य व्यास 50 मिमी है और लक्ष्य और substrates के बीच की दूरी लगभग 10 सेमी है. FeRh विकसित करने के लिए, चुंबकीय सामग्री के लिए उपयुक्त एक डीसी चुंबकीय टोरस्र्स magnetron बंदूक का इस्तेमाल किया है. हीटर 2 सेमी substrates ऊपर और छोटे गर्म मात्रा रखने के लिए एक धातु सिलेंडर से घिरे तैनात बल्ब हैं. समय की कमी के कारण epitaxial नमूने बनाने हालांकि, जब हम आम तौर पर कम से कम 10 हो जाना, इस प्रणाली में संभव अधिकतम तापमान 1,050 लालकृष्ण इस प्रणाली के 24 विभिन्न substrates धारण करने में सक्षम है ~ है. इस नमूना तैयार प्रोटोकॉल के लिए यहाँ प्रस्तुत विवरण हमारे निर्वात प्रणाली में अच्छी तरह से काम करने के लिए जाना जाता है. उनके विस्तार में अलग है कि कई समकक्ष वैक्यूम सिस्टम के रूप में वहाँएस, आदि जैसे तापमान, समय, के रूप में मात्रात्मक मापदंडों के लिए आवश्यकताओं. अच्छी तरह से अन्य प्रणालियों में विभिन्न इष्टतम मान ले सकता है. फिर भी, नीचे विवरण पाठक के लिए एक उपयोगी गाइड साबित होगा.

नीचे विस्तृत प्रोटोकॉल में, यह पाठक ऐसे निर्वात चैम्बर [, उदाहरण के लिए, देखना 26 संदर्भ] में प्रवेश करेंगे कि सभी घटकों को संभालने के लिए दस्ताने का प्रयोग के रूप में अच्छा वैक्यूम अभ्यास की मूल बातें, के साथ परिचित है कि माना जाता है.

1. सब्सट्रेट और लक्ष्य तैयारी

यह खंड बयान धूम कक्ष की तैयारी और एकल क्रिस्टल एम जी ओ substrates का वर्णन करता है.

  1. Isopropanol में (001) एम जी ओ substrates कुल्ला और सब्सट्रेट धारकों में उन्हें माउंट. निर्वात चैम्बर में इन लोड करें.
  2. Magnetron बंदूक में FeRh लक्ष्य माउंट और बंदूक पुनः. एक equiatomic संरचना के साथ एक नमूना के लिए, हमने पाया है कि फ़े 47 के साथ एक लक्ष्यआरएच 53 स्पष्ट magnetostructural चरण संक्रमण से बेदखल सबसे उपयुक्त है. Magnetron और आसपास के ढाल के बीच कोई शॉर्ट सर्किट है कि वहाँ का परीक्षण करें. इसी तरह, परतों कैपिंग के लिए प्रयोग की जाने वाली किसी भी लक्ष्य (ओं) तैयार करते हैं.
  3. निर्वात चैम्बर बंद और यह नीचे पंप.
  4. निर्वात 1 एक्स -6 10 Torr से बेहतर है एक बार, दबाव में इस स्तर से ऊपर उठ नहीं है यह सुनिश्चित करने के लिए 870 लालकृष्ण मॉनिटर वैक्यूम स्तर और हीटिंग दर को substrates गर्मी. रात भर इस तापमान पर पकड़ो.
  5. एक घंटे की वृद्धि शुरू होने से पहले, Meissner जाल के माध्यम से तरल नाइट्रोजन प्रवाह शुरू. वैक्यूम बेहतर से 4 x 10 -7 Torr को सुधार करना चाहिए.
  6. काम कर गैस प्रवाह का 65 sccm को जन प्रवाह नियंत्रक सेट करें. धूम गैस विकास के दौरान नमूना ऑक्सीकरण से बचने के लिए 4% हाइड्रोजन के साथ एर है. गैस प्रवाह वाल्व खुला. चैम्बर में दबाव कम mTorr श्रृंखला को जन्म देना चाहिए.
  7. विकास से पहले, के लिए FeRh लक्ष्य पूर्व धूम30 डब्ल्यू पर 1,200 सेकंड

2. Epilayer बयान

यह खंड डीसी magnetron sputtering द्वारा FeRh परत के बयान का वर्णन करता है.

  1. 4 x 10 -3 Torr के एक कक्ष दबाव देने के लिए जन प्रवाह नियंत्रक के सेट बिंदु को समायोजित करें. एक स्थिर मूल्य को व्यवस्थित करने के लिए दबाव की अनुमति दें.
  2. सब्सट्रेट तापमान 870 कश्मीर में रहता है और स्थिर है कि जाँच करें.
  3. 0.4 ए / सेकंड की एक समग्र जमा दर उपज के लिए magnetron के लिए शक्ति को लागू करें. एक क्वार्ट्ज क्रिस्टल की निगरानी के साथ सुसज्जित कक्षों में, यह उपयुक्त रूप से calibrated है, तो उस पर नजर रखने का उपयोग किया जा सकता है. चैम्बर एक क्वार्ट्ज क्रिस्टल की निगरानी नहीं है, के बाद विकास मोटाई माप उपयोगी है, साथ ही रनों के बीच reproducibility के एक उच्च स्तर हो सकता है.
  4. शटर खुला और इच्छित मोटाई देने के लिए उपयुक्त समय की लंबाई के लिए गर्म सब्सट्रेट पर FeRh जमा. उदाहरण के लिए, एक 500 सेकंड बयान मोटी एक नमूना 20 एनएम निकलेगा. </ ली>
  5. शटर बंद करें.
  6. Magnetron को सत्ता से दूर रहो.
  7. गैस वाल्व बंद करें.
  8. एक घंटे के लिए इस तापमान पर नमूने पकड़ो 970 के.एच. के लिए नमूना तापमान बढ़ाएँ. दबाव भर में 1 एक्स 10 -6 Torr से बेहतर रहना चाहिए. इस पानी रखना तापमान में परिवर्तन के प्रभाव डी Vries एट अल. 20 में पाया जा सकता है
  9. हीटर सत्ता से दूर रहो और कमरे के तापमान को नमूने शांत. इस प्रणाली में, यह कम से कम तीन घंटे लगते हैं.
  10. कदम 2.1-2.7 के समान चरणों का उपयोग कर, किसी भी आवश्यक कैपिंग परत जमा. ~ 370 कश्मीर से नीचे के तापमान पर कैपिंग परत जमा FeRh परत 27 में interdiffusion को रोकने के लिए आवश्यक है.
  11. सूखी नाइट्रोजन के साथ चैम्बर वेंट, इसे खोलने, और नमूनों को हटा दें. वे चमकदार और चमकदार दिखाई देनी चाहिए.

3. दिनचर्या के बाद विकास विशेषता

यह खंड बुनियादी characterizati के एक सिंहावलोकन प्रदान करता हैहमारे FeRh नमूने के बहुमत पर किए गए कदमों पर. इन माप बनाने के लिए कई संभव समकक्ष तरीके हैं, यहाँ विवरण की प्रकृति कम विस्तृत और आदेशात्मक हैं, और नहीं बल्कि किसी भी तरह के मापन की आवश्यक सुविधाओं पर ध्यान देना.

  1. नमूना मोटाई निर्धारित करने के लिए एक कम कोण Χ रे परावर्तन स्कैन प्रदर्शन. Diffractometer में नमूना माउंट और डिटेक्टर कोण 2 θ ≈ 1 ° साथ ω में यह पंक्ति. उपलब्ध हैं, χ भी गठबंधन किया जाना चाहिए. भागो एक मानक θ-2θ स्कैन के साथ θ साधन का शोर मंजिल आम तौर पर एक बार एक अच्छी गुणवत्ता नमूना के लिए ≥ 6 ° θ, पहुँच जाता है जब तक 0 डिग्री से चल रहा है. साफ Kiessig (पतली फिल्म हस्तक्षेप) किनारे epilayer मोटाई निर्धारित किया जा सकता है, जिसमें से दिखाई जानी चाहिए.
  2. रासायनिक आदेश की डिग्री का निर्धारण करने के लिए एक उच्च कोण Χ रे विवर्तन स्कैन प्रदर्शन. इस कार हो सकता हैअभी भी 3.1 कदम से diffractometer में घुड़सवार नमूना के साथ बाहर ried. (घन कश्मीर α विकिरण प्रयोग किया जाता है, तो 2 θ = 42.9 डिग्री पर) एम जी ओ सब्सट्रेट शिखर पाया जाना चाहिए और नमूना ω में फिर से गठबंधन किया. फिर से, कम से कम रेंज 12.5 ° <कवर, एक θ -2 θ चलाने 62.5 ° (फिर घन कश्मीर α विकिरण संभालने) इतना है कि दोनों FeRh (001) और (002) चोटियों, साथ ही सब्सट्रेट शिखर, कब्जा कर रहे हैं.
  3. संक्रमण के तापमान को निर्धारित करने के लिए नमूना प्रतिरोधकता का तापमान निर्भरता की एक माप प्रदर्शन. एक मानक 4 सूत्री माप संपर्क प्रतिरोध की समस्याओं से बचने के लिए किया जा सकता है कि इस तरह के नमूने के लिए बिजली के संपर्क बनाने. एक डीसी विधि का इस्तेमाल किया जा रहा है, आगे के लिए माप बनाने के लिए और वर्तमान दिशा और ऊंचा तापमान पर उत्पन्न किसी भी थर्मल EMF बंद रिक्त करने के क्रम में औसतन प्रतिरोधों को उल्टा. फिर एक के तापमान ऑन पर नमूना जगहगर्म लुढ़का मंच, और ताप दोनों पर तापमान के एक समारोह के रूप में प्रतिरोध को मापने और ठंडा sweeps (इस सेट अप चरण में किसी भी ऑक्सीकरण से बचने के बारे में सुनिश्चित होने के लिए एक छोटे टर्बो पंप उच्च निर्वात चैम्बर में है) कि इतने में किसी भी हिस्टैरिसीस पहले के आदेश magnetostructural चरण संक्रमण निर्धारित किया जा सकता है.

Representative Results

हम इस प्रोटोकॉल के अनुसार कई FeRh नमूने तैयार किया है. इस भाग में हम प्रतिनिधि नमूने की एक चयन के लिए सबसे आम लक्षण वर्णन प्रक्रियाओं का उपयोग कर प्राप्त ठेठ परिणाम दिखाते हैं. इन जैसे परिणाम मोटाई सीमा 20-50 एनएम में नमूने के लिए उम्मीद कर रहे हैं. हम और अधिक गहराई में हमारे सामग्री को चिह्नित करने के लिए इस्तेमाल किया है अन्य तरीकों एक्स - रे चुंबकीय परिपत्र dichroism 28, 29 बिखरने चराई घटना एक्स - रे, और polarized न्यूट्रॉन reflectometry 30 में शामिल हैं. हम भी Au 27 के साथ मिश्र धातु डोपिंग के प्रभाव का अध्ययन किया है. इस सामग्री से उम्मीद की जा सकती है कि संपत्तियों पर अधिक डेटा उन रिपोर्टों में पाया जा सकता है, और संदर्भ उसमें निहित.

हमारे epilayers से एक की संरचना चित्र 1 में दिखाया ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन micrographs में विस्तार से दिखाया गया है. नमूना पार अनुभाग पारंपरिक प्रगर्तन और आयन चमकाने तकनीक द्वारा तैयार किया गया थाnique एक मानक नमूना तैयारी विधि (उदाहरण विलियम्स और कार्टर 31 के लिए, देखें) - और एक 200 केवी इलेक्ट्रॉन बीम का उपयोग कर मनाया. समग्र परत संरचना चित्रा 1 में देखा जा सकता है (एक). इस मामले में, एक 30 एनएम FeRh फिल्म epitaxially एक ~ 4 एनएम सीआर परत और एक ~ 1 एनएम मोटी अल परत के बाद, एक MgO सब्सट्रेट हो गया था. (सीआर परत एक विशेष प्रयोग के लिए यहाँ शामिल किया गया था और सामान्य रूप में की जरूरत नहीं है). छवि से मापा FeRh / एम जी ओ और FeRh / सीआर इंटरफेस का खुरदरापन, क्रमश: 0.6 एनएम और 2.8 एनएम हैं. चित्रा 1 (ख) एम जी ओ / FeRh इंटरफ़ेस का एक उच्च संकल्प माइक्रोग्राफ दिखाया गया है. चयनित क्षेत्र विवर्तन से इस बात की पुष्टि के रूप में epitaxial संबंध FeRh है [100] (001) | | एम जी ओ [110] (001). इंटरफेस के पार जाली मिलान epitaxial विकास की उच्च गुणवत्ता को दर्शाता है. हम यहाँ डेटा दिखाने के लिए नहीं है, लेकिन नमूने की एक चयन पर रचना की जांच करने के लिए मंदिर में ऊर्जा फैलानेवाला एक्स - रे स्पेक्ट्रोस्कोपी का इस्तेमाल किया है:यह हमेशा माप की अनिश्चितता के भीतर करने के लिए equiatomic किया गया है.

Χ रे reflectometry डेटा epilayer अल की एक पतली, polycrystalline परत के साथ छाया हुआ एक नाममात्र 25 एनएम मोटी FeRh के लिए चित्रा 2 में दिखाया गया. माप कश्मीर α विकिरण attenuate करने के लिए एक नी फिल्टर के साथ, घन कश्मीर α विकिरण (λ = 0.1541 एनएम) का उपयोग कर, ब्रैग-Brentano ज्यामिति में एक मानक दो चक्र diffractometer में प्रदर्शन किया गया था. परत ढेर में विभिन्न इंटरफेस से प्रतिबिंबित है कि एक्स - रे बीम के हस्तक्षेप से उत्पन्न होती है, जो स्पष्ट Kiessig किनारे,, उन इंटरफेस चिकनी और अच्छी तरह से सहसंबद्ध हैं कि संकेत मिलता है. ठोस लाल रेखा GenX सॉफ्टवेयर 32 का उपयोग करते हुए प्रदर्शन किया गया है कि डेटा के लिए एक फिट से पता चलता है. बहुपरत संरचना के लिए सबसे अच्छा फिट मापदंडों तालिका 1 में दिखाया गया. अल परत के एक हिस्से का ऑक्सीकरण और नमूना टी सामने आ रहा है एक बार स्वयं passivated है कि सच्चाई यहओ हवा मॉडल में के लिए जिम्मेदार है.

एक ही नमूना के लिए Χ रे विवर्तन डेटा एक ही साधन पर एकत्र, 3 चित्र में दिखाया गया. एम जी ओ सब्सट्रेट (002) प्रतिबिंब सिर्फ 1and कश्मीर α 2 लाइनों α घन कश्मीर को हल करने के लिए मजबूत और काफी तेज है. FeRh परतों दोनों (001) से पता चलता है और (002) प्रतिबिंब. कारण epilayer और तनाव ढ़ाल के परिमित मोटाई के लिए कुछ विस्तार है. (002) FeRh बी 2 शिखर 2 θ पर केंद्रित है = एक औसत उपज 61.3 ° ± 0.02, बाहर के विमान 3.02 ± 0.05 ए की जाली निरंतर. यह इन दो चोटियों के सापेक्ष एकीकृत तीव्रता से FeRh बी 2 संरचना के रासायनिक आदेश पैरामीटर एस निर्धारित करने के लिए संभव है. यह मात्रा एस के रूप में परिभाषित किया गया है r = फ़े + फे (आरएच) के कब्जे में फे (आरएच) साइटों का अंश 33 परमाणुओं है जहां आरएच -1, आर. सूत्र का एक संक्षिप्त निरीक्षण टी से पता चलता हैटोपी जब आर फ़े = आर आरएच = 1 और संरचना, एस = 1 सही है, सभी साइटों जाली बेतरतीब ढंग से कब्जा कर रहे हैं कि इतने आर फ़े = आरएच = 0.5, आर जब जबकि, एस = 0. कारण संरचना कारक (001) प्रतिबिंब मनाही, एस = 1 संरचना (001) प्रतिबिंब की अनुमति दी है, जिसके लिए घन आदिम है जबकि जब. जिसके लिए जब = 0 एस साइट औसतन संरचना, बीसीसी है कि है इसका मतलब यह है कि व्यावहारिक दृष्टि से, 1 समीकरण , जहां 2 समीकरण और 3 समीकरण क्रमशः (00) ब्रैग प्रतिबिंब, 33 की प्रायोगिक और सैद्धांतिक तीव्रता हैं. Calcu के लिएFeRh पर EXAFS माप से सैद्धांतिक तीव्रता Debye-वालर कारकों की आबादी 34 इस्तेमाल किया गया. इस मामले में, एस = इस सामग्री का एक sputtered पतली फिल्म के लिए ठेठ 0.855 ± 0.001,.

metamagnetic चरण संक्रमण कई मायनों में पता लगाया जा सकता है. इसकी उपस्थिति सही equiatomic stoichiometry और जाली के बी 2 आदेश को इंगित करता है. metamagnetic संक्रमण ब्रैग की स्थिति में बदलाव से पता लगाया जा सकता है कि accompanies जाली विस्तार 27 चोटियों, लेकिन, यह एक हीटर मंच के साथ एक diffractometer की आवश्यकता है.

शायद सबसे स्पष्ट विधि नमूना टी टी के माध्यम से गरम किया जाता है के रूप में ferromagnetic पल की उपस्थिति का पता लगाने के लिए है. यह चुंबक ऑप्टिकल केर प्रभाव या एक हिल नमूना magnetometer का उपयोग कर उदाहरण के लिए, पर्याप्त संवेदनशीलता के साथ किसी भी तापमान निर्भर magnetometer का उपयोग किया जा सकता है. चित्रा 4 में हम बताते हैंआकर्षण संस्कार एम का तापमान निर्भरता, एक superconducting क्वांटम हस्तक्षेप डिवाइस (व्यंग्य) magnetometer का उपयोग करके मापा. माप 2 कश्मीर / मिनट की एक तापमान झाडू दर के साथ 275-400 कश्मीर के तापमान रेंज में किए गए थे. वक्र प्रदर्शित करता है एक 15 कश्मीर थर्मल हिस्टैरिसीस के साथ प्रत्याशित वायुसेना → एफएम संक्रमण (ताप) और एफएम → वायुसेना संक्रमण (ठंडा) में दिखाया गया. इस माप उच्च क्षेत्र (50 koe) में बनाया गया है और एक उच्च चुंबकीय क्षेत्र वायुसेना चरण के लिए सम्मान के साथ एफएम चरण से मुक्त ऊर्जा को कम कर देता टी टी 365 लालकृष्ण तापमान परिवर्तन, क्षेत्र पर निर्भर है एक संक्रमण तापमान झुकेंगे था. आमतौर पर डीटी टी / dh ≈ 0.8 एम / ँ 14,15, 27. वायुसेना चरण में चुंबकीय क्षण काफी शून्य नहीं है, लेकिन पूरे नमूना की मात्रा पर औसतन जब ईएमयू / 3 सेमी की कुछ दसियों है कि ध्यान दें. इस पल ferroma रहते हैं जो FeRh epilayer के पास इंटरफ़ेस क्षेत्रों में रहता हैgnetic नमूना के थोक वायुसेना चरण में 28, 30 में बदल देती है जब (एक कम आकर्षण संस्कार के साथ यद्यपि).

सरल उपकरण का उपयोग करता है और अक्सर हमारी प्रयोगशाला में प्रयोग किया जाता है कि संक्रमण का पता लगाने के लिए एक तरह से एक इलेक्ट्रॉन परिवहन माप बनाने के लिए है. एफएम चरण में ρ वायुसेना चरण में 35, 36, 20 में से बहुत कम है क्योंकि सरल माप, फिल्म की प्रतिरोधकता ρ की है. एक्स - रे डेटा दिखाया गया है, जिसके लिए एक ही 25 एनएम FeRh epilayer के लिए ρ का तापमान निर्भरता चित्रा 5 में साजिश रची है, एक मानक चार सूत्री जांच पद्धति का उपयोग करके मापा: वसंत लोड, सोना चढ़ाया पिंस नमूना को दबाया गया गर्म जब कोई नमूना ऑक्सीकरण रोकने के लिए एक छोटा सा कस्टम निर्वात चैम्बर में एक हीटर मंच पर रखा गया था, जो नमूने के लिए संपर्क बनाने के लिए सतह. एक रेखीय, धातु ρ (टी) निर्भरता वायुसेना और एफएम चरणों दोनों में देखा, लेकिन resistivi में उल्लेखनीय कमी आई हैदोनों के बीच Ty. चित्रा 5 में देखा हिस्टैरिसीस magnetostructural चरण संक्रमण जगह लेने का एक स्पष्ट फिंगरप्रिंट है और (चित्रा 5 का इनसेट में दिखाया गया है) dρ / डीटी में न्यूनतम बिंदु द्वारा दिया जाता है, जो संक्रमण के तापमान को मापने के लिए एक सुविधाजनक तरीका है. दो चरणों के बीच 20 हॉल गुणांक में एक बड़ा अंतर यह है कि वहाँ के रूप में एक और आसानी से मापा परिवहन संपत्ति, हॉल प्रभाव, भी, संक्रमण की उपस्थिति की पुष्टि करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है.

चित्रा 1
चित्रा 1. एक MgO सब्सट्रेट पर एक FeRh epilayer की ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन micrographs. (एक) परत की संरचना का प्रदर्शन छवि. FeRh शीर्ष पर जमा एक और ~ 4 ​​एनएम सीआर परत और ~ 1 एनएम अल टोपी के साथ मोटी 30 एनएम है. मैं के शीर्ष पर अनाकार क्षेत्र दाना पार अनुभाग नमूना तैयार करने के दौरान इस्तेमाल एक epoxy राल है. MgO FeRh इंटरफेस (ख) एक उच्च संकल्प छवि. इंटरफेस के पार epitaxial मिलान यहाँ देखा, और संबद्ध रिश्ते, चयनित क्षेत्र विवर्तन से इस बात की पुष्टि के रूप में, FeRh है [100] (001) | |. MgO [110] (001) देखने के लिए यहां क्लिक करें बड़ा आंकड़ा

चित्रा 2
चित्रा 2. एक 25 एनएम मोटी FeRh से एक्स - रे reflectometry स्पेक्ट्रम epilayer polycrystalline अल के साथ छाया हुआ है. ठोस लाइन 1 टेबल में दिए गए मापदंडों का उपयोग, पाठ में वर्णित के रूप में एक फिट है. इनसेट मानकों फिटिंग की है कि सेट के साथ जुड़े बिखरने लंबाई घनत्व प्रोफाइल से पता चलता है.g2highres.jpg "लक्ष्य =" _blank "> बड़ा आंकड़ा देखने के लिए क्लिक करें

चित्रा 3
चित्रा 3. एक 25 एनएम मोटी FeRh से एक्स - रे विवर्तन स्पेक्ट्रम epilayer polycrystalline अल के साथ छाया हुआ है. (001) FeRh चोटी की उपस्थिति बी 2 आदेश देने की जगह ले ली है कि इंगित करता है. रासायनिक आदेश पैरामीटर एस है = 0.855 ± 0.001, पाठ में वर्णित विधि का उपयोग कर के रूप में निर्धारित. बड़ा आंकड़ा देखने के लिए क्लिक करें

चित्रा 4
चित्रा 4. Polycrystal साथ छाया हुआ एक 50 एनएम मोटी FeRh epilayer के आकर्षण संस्कार एम का तापमान निर्भरतालाइन अल. इन आंकड़ों फिल्म विमान में लागू एक 50 koe क्षेत्र के साथ ले जाया गया. संक्रमण तापमान टी टी 15 के बारे में लालकृष्ण का एक हिस्टैरिसीस चौड़ाई के साथ ~ 365 कश्मीर देखा जा रहा है बड़ा आंकड़ा देखने के लिए क्लिक करें

चित्रा 5
चित्रा 5. अल के साथ छाया हुआ एक 25 एनएम मोटी FeRh परत की प्रतिरोधकता ρ का तापमान निर्भरता. इनसेट टी तापमान के संबंध में ρ के व्युत्पन्न है. संक्रमण तापमान टी टी वायुसेना चरण में ठंडा करने पर एफएम चरण और 375 कश्मीर में वार्मिंग पर 447 कश्मीर देखा जा रहा है. बड़ा आंकड़ा देखने के लिए क्लिक करें

परत घनत्व (परमाणुओं / एनएम 3) मोटाई (एनएम) खुरदरापन (एनएम)
अल 2 3 हे passivation परत 25.5 ± 0.9 2.18 ± 0.08 1.0 ± 0.1
अल टोपी 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
एम जी ओ सब्सट्रेट 53.4 ± 1.3 0.1761 ± 0.0003

तालिका 1. कि चित्रा का इनसेट में दिखाया बिखरने लंबाई घनत्व प्रोफ़ाइल के लिए अग्रणी, चित्रा 2 में दिखाया एक्स - रे परावर्तन स्पेक्ट्रम के लिए मानकों फिटिंग.

Discussion

यहाँ हम इस विधि अच्छा crystallographic गुणवत्ता और B2 रासायनिक आदेश देने के एक उच्च स्तर की FeRh की epilayer नमूने तैयार करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है कि प्रदर्शन किया है. विधि आदेश दिया मिश्र सहित epitaxial धातु परतों की एक विस्तृत विविधता की तैयारी के लिए अनुकूल है. Stoichiometry सही है और रासायनिक आदेश देने के मौजूद है जब यह एक नाटकीय चरण संक्रमण से पता चलता है, जैसा कि हम यहाँ एक उदाहरण के रूप में बी 2 के आदेश दिए FeRh मिश्र धातु का इस्तेमाल किया है एक कला है, यह विधि भी अन्य सामग्री के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है. उदाहरण के लिए, FePd और FePt दोनों एक बहुत मजबूत अक्षीय magnetocrystalline anisotropy की ओर जाता है, जो एल 1 0 चरणों है. हम सफलतापूर्वक FePt 8 में डोमेन दीवार प्रतिरोध दिखा रहा है, अतीत में इस माल की वृद्धि हुई है, और FePd और FePt 10 दोनों में बड़ी विषम हॉल प्रभाव. विकास तापमान और दर और सब्सट्रेट के लिए एक उपयुक्त विकल्प का एक उचित समायोजन के साथ, इस विधि अलग की एक विस्तृत विविधता की तैयारी के लिए उपयोगी होना चाहिएरासायनिक आदेश प्रदर्शित चुंबकीय और गैर चुंबकीय धातु epilayers अलग.

फिर भी, इस दृष्टिकोण की एक सीमा epitaxy प्राप्त करने के लिए एक एकल क्रिस्टल सब्सट्रेट के लिए की जरूरत है. इस कठिनाइयों ऐसे लगभग सर्वव्यापी सी के रूप में एक और सब्सट्रेट वफ़र पर बनाया गया एक प्रौद्योगिकी में ऐसी योजना को देखने ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन या एक्स - रे माइक्रोस्कोपी या एकीकरण के रूप में प्रयोग प्रदर्शन में सामना किया जा सकेगा. इस समस्या को हल करने के लिए एक संभावित साधन FeRh तो जमा किया जा सकता है जिस पर एक पतली एम जी ओ परत विकसित करने के लिए है. यह प्रत्येक MgO अनाज की 37 शीर्ष पर स्थानीय epitaxial विकास nucleates कि बाहर के विमान बनावट प्राप्ति कर सकते हैं. उल्लेखनीय है, यह सामान्य सब्सट्रेट 38 से 45 डिग्री पर उन्मुख है कि बंदूक की सहायता एक आयन बीम के साथ एक विधि का उपयोग (001) बनावट और एक अनाकार सतह पर में विमान crystallographic संरेखण है कि दोनों एक पतली एम जी ओ परत विकसित करने के लिए संभव है. यह जैसे इलेक्ट्रॉन या एक्स - रे टी पर बी 2 के आदेश दिए FeRh के विकास की अनुमति सकता हैहमारे प्रोटोकॉल में आवश्यक उच्च विकास तापमान जीवित करने में सक्षम है, या एक सी वफ़र की देशी ऑक्साइड परत पर हैं जो ransparent सी एन 3 4 झिल्ली,.

विधि का शोधन आगे यह ultrathin है जब FeRh epilayer में बी 2 आदेश को बढ़ावा देने के लिए इस तरह Nial के रूप में 39 बी 2 के आदेश दिए underlayers का उपयोग करते हैं,,, या एकाधिक रासायनिक का आदेश दिया परतों 37 को शामिल heterostructures का निर्माण करने के लिए इसके उपयोग में शामिल हैं. FeRh, का निर्माण (एयू 40, 27 या पीडी 40, 43 का उपयोग कर उदाहरण के लिए) नीचे (आईआर 40, 41 या पीटी 40, 42 का उपयोग कर उदाहरण के लिए) या ​​संक्रमण के तापमान टी टी समायोजित करने के लिए आरएच साइट पर डाल दिया गया हो सकता है नमूना गरम किया जाता है और ठंडा रूप FeRh परतों में प्रोफाइल डोपिंग डिजाइन में चुंबकीय प्रोफाइल के लिए नेतृत्व कर सकते हैं. यह एक नियंत्रणीय रास्ता 44 में एक epilayer के विशुद्ध रूप से चुंबकीय स्तरीकरण पैदा करने के लिए एक मार्ग खुल जाता है.

Disclosures

लेखकों वे कोई प्रतिस्पर्धा वित्तीय हितों की है कि घोषित.

Acknowledgments

इस काम अनुदान संख्या EP/G065640/1 तहत और अमेरिका के राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन द्वारा ब्रिटेन इंजीनियरिंग और शारीरिक विज्ञान अनुसंधान परिषद द्वारा समर्थित किया गया अनुदान संख्या DMR-0908767 तहत [एमएल और LHL] और अनुदान संख्या DMR-0907007 [डीएच].

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Sputter Deposition System Kurt J. Lesker Company Bespoke  
MgO Single Crystal Substrate Pi-Kem Single-sided epi-polished (001) orientation
FeRh sputtering target Pi-Kem Bespoke 50 mm diameter
Transmission Electron Microscope FEI Tecnai TF20  
X-ray Diffractometer Brüker D8 Discover  
SQUID Magnetometer Quantum Design MPMS-XL 5  

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भौतिकी अंक 80 sputtering epitaxial विकास चुंबकत्व मिश्र का आदेश दिया
Metamagnetic बी 2 के आदेश दिए FeRh Epilayers की धूम विकास और विशेषता
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