Определение параметров эпитаксиально выращенных пленок MnAs с помощью атомно- и магнитно-силовой микроскопии

ДЕК252018

Введение

Благодаря своим ферромагнитным свойствам и правильно-ориентированной структуре вблизи поверхности раздела  при комнатной температуре, эпитаксиально выращенная пленка MnAs на подложке GaAs является одной из наиболее перспективных систем для будущих спинтронных устройств, несмотря на большое несоответствие решетки между эпитаксиальной пленкой и материалом ее подложки [1, 2].  Объемная структура MnAs демонстрирует фазовый переход от α-MnAs ферромагнитного состояния в парамагнитное орторомбическое β-MnAs состояние при критической температуре около 45°C [3]. При комнатной температуре в тонкопленочных MnAs системах две фазы сосуществуют в форме самоорганизованных периодических линий, встречающихся ввиду стабилизации механических напряжений [4, 5]. Периодическая длина двух сосуществующих фазовых линий сильно зависит от толщины пленки [6]. В данной статье изучаются MnAs пленки различной толщины и в различных состояниях намагниченности.

Исследуемые образцы

Пленки MnAs, исследуемые в данной статье, были выращены на подложках GaAs (001) при 270°C с помощью метода молекулярно-лучевой эпитаксии и имели толщину 25 нм, 50 нм, 100 нм, 250 нм и 500 нм, соответственно [7, 8]. При комнатной температуре механически-стабилизированное сосуществование двух фаз было подтверждено с помощью рентгеноструктурного анализа. С помощью сверхпроводящего квантового магнитометра (SQUID) также были изучены магнитные свойства. Кроме того, данные атомно-силовой микроскопии (АСМ) и магнитно-силовой микроскопии (МСМ) показывают, что линии состояний α-MnAs и β-MnAs выстраиваются вдоль MnAs [0001] оси и перпендикулярны оси легкого намагничивания MnAs [112̅0].

Рис. 1.Относительное расположение эпитаксиального гексагонального MnAs на GaAs подложке. Затененные области отображают плоскости MnAs [112̅0], перпендикулярные поверхности GaAs (001).

МСМ изображения были получены с помощью атомно-силового микроскопа ХЕ-7 с опцией МСМ и магнитным кантилевером от Nanosensors. Генератор магнитного поля, способный наводить магнитные поля до 600 эрстед (Э), использовали для приложения магнитного поля к образцам.

Эксперимент

Для определения характеристик магнитных образов, таких как эпитаксиально выращенные пленки MnAs, измерение их локальных магнитных свойств является главным аспектом. И хотя SQUID предоставляет количественные магнитные данные об исследуемом образце, отсутствие пространственного разрешения лишает исследователей возможности проведения структурного анализа материала. Данные МСМ, напротив, раскрывают локальные магнитные свойства образцов,   четко согласовывая их с топографией поверхности исследуемого образца.

Важным требованием для таких точных измерений с помощью МСМ является возможность отделения магнитного сигнала от топографических данных. При анализе методом МСМ данные собираются таким образом, что кантилевер располагается на определенном расстоянии над поверхностью образца, на котором силы межатомного взаимодействия (силы Ван-Дер-Ваальса) уже не оказывают заметного влияния и учитывается только магнитная составляющая. Для поддержания такого состояния положение кантилевера точно контролируется с помощью механизма обратной связи.

В обычных пьезотрубчатых АСМ движение вдоль вертикальной оси Z (сбор данных по высоте) и движение в плоскости XY выполняется одним и тем же сканирующим элементом из-за геометрических ограничений в конструкции. Взаимные помехи рассогласования, возникающие при одновременном перемещении в плоскости XY и вдоль оси Z, вносят топографическую ошибку в магнитный сигнал и, чтобы получить реальные результаты, необходима высокоточная калибровка, а также дальнейшая сложная математическая обработка.

Тогда как в атомно-силовых микроскопах серии XE реализована технология, в которой XY- и Z-сканеры отделены друг от друга и работают независимо – это позволяет предотвращать появление взаимных помех при их одновременном движении. Такое независимое движение сканеров в атомно-силовом микроскопе позволяет получать реальные данные о магнитном распределении, которые четко отделены от топографического сигнала.

Анализ данных

На рис. 2 представлены магнитные изображения пленок MnAs с различной толщиной – 25 нм, 50 нм, 100 нм, 250 нм и 500 нм, соответственно, когда вещество находится в насыщенном состоянии (а) и размагниченном состоянии (б). На этих изображениях ось легкого намагничивания каждой пленки перпендикулярна направлению ферромагнитной линии, а область сканирования составляет 5 мкм в любом направлении. Как показано на рис. 2(а), все ферромагнитные линии в каждой насыщенной пленке находятся в однодоменном состоянии, где МСМ контраст каждой линии сопоставляется с полем рассеяния по границе между соседними линиями. Также отмечено, что периодическая длина и ширина фазовых линий α и β уменьшается по мере уменьшения толщины пленки, что хорошо согласуется с эффектами релаксации механических напряжений.

На рис. 2(б) наблюдается изменение доменной структуры, так как толщина пленки уменьшается. На изображении для образца 500 нм доменную структуру с ферромагнитными линиями можно описать как прямонаправленные домены, которые выражены в виде спиновых конфигураций, в которых направления намагниченности двух доменов обращены друг на друга (см. выделенную прямоугольную область МСМ-изображения для образца 500 нм). На изображении для образца 250 нм наблюдается два типа доменных структур – прямонаправленные и простые домены.

Простые домены определяются как спиновые конфигурации, имеющие односпиновое направление вдоль ширины ферромагнитной линии (см. выделенную прямоугольную область МСМ-изображения для образца 250 нм). Существование прямонаправленных доменов в образцах толщиной 250 нм и 500 нм свидетельствует о формировании закрытой доменной конфигурации внутри пленки, что ожидаемо, учитывая, что высота стенки домена MnAs пленки составляет около 100 нм [9]. Кроме того, простые домены появляются в пленках, толщина которых менее 100 нм, что меньше, чем высота стенки домена.

Когда толщина пленки менее 100 нм, то степень корреляции между спиновым направлением в доменах соседних ферромагнитных линий становится значимой. На изображении для размагниченного образца 100 нм показано (см. выделенную прямоугольную область МСМ-изображения для образца 100 нм), что спиновые направления линий располагаются в одном и том же направлении благодаря дипольному взаимодействию между смежными линиями.

Рис. 2. Магнитные изображения эпитаксиальных MnAs пленок толщиной 25 нм, 50 нм, 100 нм, 250 нм и 500 нм, которые находятся в насыщенном состоянии (а) и размагниченном состоянии (б): ось легкого намагничивания каждой пленки перпендикулярна направлению ферромагнитной линии. Область сканирования 5 × 5 мкм.

В частности, на изображении для размагниченного образца толщиной 250 нм, обнаружены два типа доменных структур, несмотря на его однородную толщину. Это показывает, что изменение доменной структуры в ферромагнитной линии может быть вызвано и другой веской причиной, кроме изменения толщины пленки. Для дальнейшего анализа были получены АСМ и МСМ изображения MnAs пленки толщиной 250 нм для области с большими изменениями по ширине линии (см. рис. 3).

На данных изображениях, где толщина полос относительно узкая, наблюдаются простые домены, тогда как прямонаправленные домены появляются там, где ширина линии относительно большая. Это можно объяснить разницей в коэффициенте размагничивания, который можно оценить по соотношению ширины к толщине полосы. На изображениях, показанных на рис.2(б), данное соотношение для образца толщиной 500 нм составляет 3.1±0.1; в то время как для образца толщиной 100 нм оно составляет 5.8±2.0.

С учетом этого, изменение доменной структуры прямонаправленного домена к простому домену можно объяснить увеличением коэффициента размагничивания, что связано как с изменением ширины линии, так и с увеличением толщины пленки. На Рис. 3(б) наблюдается простая доменная структура, в которой ширина линии относительно большая. С другой стороны, прямонаправленная доменная структура наблюдается там, где ширина относительно узкая.

Рис. 3. АСМ (а) и МСМ (б) изображения MnAs пленки толщиной 250 нм в области, в которой наблюдаются большие изменения по толщине ферромагнитной линии.

На коэффициент размагничивания также может повлиять изменение величины зазора между линиями. Расчетный коэффициент размагничивания для выделенной круглой области (см. рис. 3) составляет 4.0 – это значение ниже, чем средний коэффициент размагничивания ферромагнитных линий для всей пленки: 4.7±1.3. Это показывает, что увеличенное дипольное взаимодействие между смежными линиями из-за узкого зазора приводит к образованию простой доменной структуры, несмотря на небольшое соотношение  ширины к толщине в данной конкретной области.

Подробные характеристики атомно-силового микроскопа Park ХЕ7

Ссылки

1. G. A. Prinz, Science 250, 1094 (1990)
2. M. Tanaka et al., Appl. Phys. Lett. 65, 1964 (1994); A. Trampert et al., ibid. 79, 2461 (2001)
3. N. Menyuk et al, Phys. Rev. 177, 942 (1969)
4. V. M. Kaganer et al, Phys. Rev. Lett. 85, 241 (2000); Phys. Rev. B 66, 045305 (2002)
5. T. Plake et al, Appl. Phys. Lett. 80, 2523 (2002)
6. L. Däweritz et al, J. Appl. Phys. 96, 5056 (2004)
7. K. Ryu et al., Phys. Rev. B 71, 155308 (2005)
8. K. Ryu et al., Appl. Phys. Lett. 89, 232506 (2006)
9. F. Schippan et al, J. Appl. Phys. 88, 2766 (2000)