[論文レビュー] Cold Seeded Epitaxy and Flexomagnetism in Smooth GdAuGe Membranes Exfoliated from graphene/Ge(111)

Zachary LaDuca, Tamalika Samanta+8 more|Zenodo (CERN European Organization for Nuclear Research)|Jun 8, 2024

Quantum and electron transport phenomena参考文献 37被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、グラファイン/Ge(111)上に滑らかで単結晶性のGdAuGe膜を成長させるために、低温シードエpitaxy法を導入した。この手法により、原子的に滑らかな界面を持つ数ナノメートルの膜が剥離可能となり、波打つ膜では応力勾配駆動の反強磁性から強磁性・フェリ磁性への転移が観測された。主な結果として、超薄膜量子材料におけるフレクソ磁性の実証がなされた。

ABSTRACT

Remote and van der Waals epitaxy are promising approaches for synthesizing single crystalline membranes for flexible electronics and discovery of new properties via extreme strain; however, a fundamental challenge is that most materials do not wet the graphene surface. We develop a cold seed approach for synthesizing smooth intermetallic films on graphene that can be exfoliated to form few nanometer thick single crystalline membranes. Our seeded GdAuGe films have narrow x-ray rocking curve widths of 9-24 arc seconds, which is two orders of magnitude lower than their counterparts grown by typical high temperature methods, and have atomically sharp interfaces observed by transmission electron microscopy. Upon exfoliation and rippling, strain gradients in GdAuGe membranes induce an antiferromagnetic to ferri/ferromagnetic transition. Our smooth, ultrathin membranes provide a clean platform for discovering new flexomagnetic effects in quantum materials.

研究の動機と目的

• 高温エpitaxy成長における金属がグラファイン上に湿潤性に欠ける問題とドレーピングを克服すること。
• 正確な化学 stoichiometry を有する滑らかで単結晶性の金属間化合物膜をグラファイン上に成長させる方法を開発すること。
• 超薄膜膜の剥離を可能にし、量子材料における極限的応力効果を研究すること。
• 2次元的膜における応力勾配誘発磁気的転移を調査すること。
• 複雑な金属間化合物をグラファイン上にエpitaxyする一般化可能な手法を確立すること。

提案手法

• 分子ビームエpitaxy (MBE) を用い、表面拡散を抑制し、均一な核生成を確保するため、室温（30 °C）で5 nm 厚のGdAuGeシード層を堆積した。
• その後、480 °Cでアニール処理を行い、再結晶化と表面の平滑化を実現し、高品質なエpitaxialテンプレートを形成した。
• 480 °Cで継続的成長を進め、RHEEDパターンが明鋭で、X線ロッキングカーブの全幅が9–24弧秒と狭い16 nm 厚のGdAuGe膜が得られた。
• ポリマー・ハンドルを用いた剥離により、連続的で数ナノメートルの膜が得られた。
• 膜の波打つ構造が応力勾配を導入し、2 Kでの磁化測定によりその影響が評価された。
• 密度汎関数理論 (DFT) の計算を用い、応力下における強磁性状態と反強磁性状態のエネルギー差を比較した。

Figure 1: Cold seeded epitaxy of GdAuGe on graphene. (a) RHEED pattern of graphene on Ge (111), after annealing at $600\degree$ C to remove surface adsorbates. All RHEED patterns are recorded along a Ge $\langle 110\rangle$ zone axis at a beam energy of 15 kV. (b) 5 nm thick seed of GdAuGe grown at

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グラファイン上での金属の高温エpitaxy成長において一般的に見られるドレーピングと湿潤性の欠如を、低温シード法が克服できるか。
• RQ2 従来の高温成長と比較して、低温シード法が、モザイク度が低く、結晶性に優れた膜を生成するか。
• RQ3 剥離したGdAuGe膜における応力勾配が、反強磁性からフェリ磁性・強磁性への転移を誘発するか。
• RQ4 観測された磁気的転移は、一様な応力か、応力勾配（すなわちフレクソ磁性）によって駆動されているか。
• RQ5 この手法が、他の金属間化合物やヒュースラー化合物に対しても、柔軟な量子材料の開発に一般化可能か。

主な発見

• 低温シードGdAuGe膜のX線ロッキングカーブ全幅は9–24弧秒であり、高温成長膜と比較して2桁小さい。
• 透過型電子顕微鏡により、GdAuGeとグラファインの間で原子的に滑らかな界面が確認され、高いエpitaxial品質が示された。
• 剥離膜では2 Kで明確なヒステリシスループが観測され、波打つ構造によりフェリ磁性・強磁性秩序が生じた。
• 波打つ膜における最大の応力勾配は±36% /μmと推定され、通常の応力誘発転移と比較して顕著に高い値であった。
• DFT計算により、強磁性秩序を誘発するのに必要な一様な応力は±0.36%であり、その値は、フェリ磁性への転移を誘発するのに必要な応力の10分の1程度にとどまり、フレクソ磁性機構の支持が得られた。
• GdAuGe膜における磁気的転移は、以前に観測されたGdPtSbと類似しており、応力勾配駆動のフレクソ磁性効果が確認された。

Figure 2: Comparison of low temperature seeded growth versus direct high temperature growth of GdAuGe on graphene/Ge (111). (a) X-ray diffraction scan (Cu $K\alpha$ ) of a film grown using the low temperature seed approach (blue) versus a film grown directly at high temperature (black). Insert shows