En metod för att framställa epitaxiella skikt av ordnade legeringar genom förstoftning beskrivs. B2-ordered FeRh förening används som ett exempel, eftersom den uppvisar en metamagnetic övergång som beror känsligt på graden av kemisk ordning och den exakta sammansättningen av legeringen.
Kemiskt ordnade legeringar är användbara i en mängd olika magnetiska nano. De är mest lämpligen framställas i industriell skala genom att använda sputtringstekniker. Här beskriver vi en metod för framställning av epitaxiella tunna filmer av B2-ordered FeRh genom sputtering på enkristall-MgO-substrat. Avlagring med en låg hastighet på ett upphettat substrat ger tid för adatoms att både lösa in ett gitter med en väldefinierad epitaxiellt förhållande med substratet och även för att finna sina rätta ställen i Fe-och Rh sublattices av B2 struktur. Strukturen enkelt karakteriseras med röntgen reflektometri och diffraktion och kan visualiseras direkt genom att använda transmissionselektronmikro tvärsnitt. B2-beställda FeRh uppvisar en ovanlig metamagnetic fasövergång: grundtillståndet är antiferromagnetisk men legeringen förvandlas till en ferromagnet på uppvärmning med en typisk övergångstemperatur av ca 380 K. Detta åtföljs av en 1%volym expansion av enhetscellen: isotrop i bulk, men lateralt fastklämd i en episkiktet. Närvaron av antiferromagnetisk grundtillståndet och den tillhörande första ordningens fasövergång är mycket känslig för den korrekta ekviatomär stökiometri och korrekt B2 beställning, och så är ett bekvämt sätt att visa kvaliteten på de lager som kan deponeras med detta synsätt. Vi ger också några exempel på de olika tekniker som ändringen i fasen kan detekteras.
Den centrala paradigm för mikroelektronikindustrin är metoden för plana bearbetning: sekventiell avsättning och mönstring av tunna filmer på ytan av en skiva av substratmaterialet. Mycket ofta är substratet en enkristall, och filmerna måste vara epitaxiella, det vill säga i kristallregistret med det underliggande substratet. Med halvledarmaterial, är detta normalt uppnås antingen med hjälp av molekylär (MBE) i ett laboratorium inställning 1 eller metal ångfasepitaxi (MOVPE) i tillverkningsindustrin 2.
Medan epitaxiell tillväxt av metaller genom MBE är möjligt, är de lätt deponerats av sputtring, och detta är den vanligaste metoden för nedfall av tunna magnetiska filmer i både forskning och industriell miljö. Även denna metod är ofta förknippad med tillväxten av polykristallina filmer, epitaxiell tillväxt på ett enkristallsubstrat är möjlig under vissa förutsättningar <supp> 3. Dessa innefattar i allmänhet en upphöjd substrattemperatur (åtminstone för de ursprungliga skikten), en långsam avsättningshastighet, och en låg vakuumkammare bastryck. Denna metod har använts för att förbereda jättemagnetoresistans flerskiktsmaterial 4, 5, till exempel.
I vårt eget laboratorium har vi använt epitaxiella sputtering för att förbereda en mängd olika magnetiska material på enstaka kristallsubstrat. Det har varit möjligt att odla cofe legering epilayers på GaAs (001), till exempel, genom att välja gittermatchade Co 70 Fe 30 sammansättning 6. Detta material är en fast lösning, där Co-och Fe-atomer slumpvis befolka bcc gallerplatser. Vi har också vuxit kemiskt beställt magnetiska legeringar, där de olika atomslag är skyldiga att ta upp särskilda gitterplatser. Tillväxt protokoll vi ska beskriva här utvecklades ursprungligen för tillväxten av L1 0-beställda FEPD och FePt legeringar, som är av intresse äredan de har en mycket hög magnetokristallin anisotropi 7. Vi har studerat sambandet mellan ballistiska och diffuserande spinnpolariserade transporter 8, 9 och anomala Hall effekten 10 i dessa material, som är av jämförbar kvalitet till lager odlas av MBE 11.
Här kommer vi att illustrera vår epitaxiell tillväxt metod med hjälp av exempel på B2-beställda FeRh epilayers. Fe och Rh bildar legeringar som helst sammansättning, men ett B2-beställda förening är jämviktstillstånd för stoichiometries i en nära-ekviatomär intervallet 49-53% atom Fe 12. Denna så kallade α "- fasen är en antiferromagnet (AF) som uppvisar en första ordningens fasövergång vid upphettning, blir en α"-fas ferromagnet (FM) runt T T = 350 → 400K 13, 14, 15. Denna metamagnetic övergång mellan de två olika men båda helt beställt magnetiska stater (typ II AF 16 och FM)åtföljs av en isotrop 1% volymexpansion i B2-gitter 17, 18, en stor entropi frigöra 19, en stor droppe i resistivitet 14, och en stor ökning av bärarkoncentrationen 20. Neutrondiffraktion 21, 16 och mer nyligen xmcd mätningar 22 indikerar att en del av det 3,3 μ B magnetiskt moment centrerad på Fe i AF-fasen överförs till Rh i FM-fas, med μ Fe ~ 2,2 μ B μ Rh ~ 0,6 μ B. Curie-temperaturen för att FM-α-fasen är ~ 670 K 14, jämförbar med Curie-temperaturen för legeringar med x> 0,53 23. Den metamagnetic övergångstemperatur T T är mycket känslig för kompositionen × i Fe × Rh 1 – × 23, 24, och undertrycks av ~ 8 K / T av pålagt magnetfält fiELD 25, 15. Denna rikt utbud av fysisk beteende beror kritiskt på att uppnå den rätta B2-ordnad struktur och så tillåter en mängd olika mätmetoder som ska användas för att detektera korrekt kemisk beställning i ett exemplar, vilket gör det till en bekväm exempel för att demonstrera en metod för odling av hög- kvalitet beordrade legerings epilayers.
Här har vi visat att denna metod kan användas för att framställa episkiktet prover av FeRh av god kristallografisk kvalitet och en hög grad av B2 kemisk beställningen har gjorts. Metoden lämpar sig för beredning av ett brett utbud av epitaxiella metalliska skikt, inklusive beställda legeringar. Samtidigt som vi har använt B2-beställda FeRh legering som ett exempel här, eftersom det visar en dramatisk fasövergång när stökiometri är korrekt och kemisk beställning är närvarande, kan metoden också användas för andra material. Till exempel, både FePd och FePt har L1 0 faser, vilket leder till en mycket stark enaxlig magnetokristallin anisotropi. Vi har framgångsrikt vuxit detta material i det förflutna, visar domänvägg motstånd i FePt 8, och stora anomala Hall effekter i både FePd och FePt 10. Med en lämplig justering av tillväxttemperaturer och priser och ett lämpligt val av substrat, denna metod borde vara användbara för att framställa en mängd olika difka magnetiska och icke-magnetiska metall epilayers visar kemisk ordning.
Trots detta är en begränsning av denna metod att det behövs en enkristallsubstrat att uppnå epitaxi. Det innebär svårigheter när det i att utföra experiment som planen-view transmissionselektron eller röntgen mikroskopi eller integrering i en teknik som bygger på ett annat substrat wafer som den nära-ubiquitous Si. Ett möjligt sätt att komma runt detta problem är att odla ett tunt MgO skikt på vilket FeRh sedan kan deponeras. Detta kan ge ut-ur-planet struktur som nucleates lokala epitaxiell tillväxt på toppen av varje MgO korn 37. Anmärkningsvärt är det möjligt att odla ett tunt MgO skikt som har både (001) textur och i planet kristallografisk inriktning på en amorf yta med användning av ett förfarande med en jon-stråle bistå pistol som är orienterad i 45 ° till substratet normal 38. Detta skulle kunna möjliggöra tillväxt av B2-beställda FeRh på t.ex. elektron-eller röntgen töppen för insyn Si 3 N 4 membran, som kan överleva de höga tillväxt temperaturer som krävs i vårt protokoll, eller på den infödda oxidskikt på en Si wafer.
Ytterligare förbättringar av metoden innefattar användningen av B2-ordered underskikt, såsom NiAl 39, för att främja B2-beställning i FeRh episkiktet när den är ultratunna, eller dess användning för att bygga heterostrukturer involverar flera kemiskt beställda skikten 37. Eftersom FeRh kan dopas på Rh plats att justera övergångstemperaturen T T upp (till exempel med hjälp av Ir 40, 41 eller Pt 40, 42) eller nedåt (till exempel med hjälp av Au 40, 27 eller Pd 40, 43), inrättande av dopning profiler i FeRh skikten kan leda till konstruerade in magnetiska profiler när provet upphettas och kyls. Detta öppnar upp en väg att generera rent magnetisk skiktning av en episkiktet på ett kontrollerbart sätt 44.
The authors have nothing to disclose.
Detta arbete stöddes av den brittiska Engineering and Physical Sciences Research Council i licensnummer EP/G065640/1 och av US National Science Foundation i licensnummer DMR-0.908.767 [ML och LHL] och licensnummer DMR-0.907.007 [DH].
Name of Reagent/Material | 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 |