[論文レビュー] Perpendicularly magnetized Mn-Co-Ga-based thin films with high coercive field

Siham Ouardi, Takahide Kubota+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 11, 2012

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials被引用数 28

ひとこと要約

本研究では、コバルトドーピングを用いることで結晶構造を調整可能なエpitaxial Mn-Co-Ga薄膜を実証し、テトラゴナル相の Mn₂.₆Co₀.₃Ga₁.₁で1.2 MJ/m³の高い垂直磁気異方性を達成した。これは低飽和磁化モーメント0.84 μBを伴う。強化された異方性は、立方晶相においてフェルミエネルギー準位近くに存在するヴァン・ホーフェ・特異点に起因するバンド・ジェーン–テラー効果に由来し、テトラゴナル歪みによって抑制される。このことは、ハードX線光電子分光法（HAXPES）および第一原理計算により確認された。

ABSTRACT

Mn$_{3-x}$Co$_{x}$Ga epitaxial thin films were grown on MgO substrates by magnetron co-sputtering. Structures were tetragonal or cubic depending on Co content. Composition dependence of saturation magnetization and uniaxial magnetic anisotropy $K_u$ of the films were investigated. A high $K_u$ (1.2 MJ m$^{-3}$) was achieved for the Mn$_{2.6}$Co$_{0.3}$Ga$_{1.1}$ film with the magnetic moment 0.84$μ_B$. Valence band spectra were obtained by hard X-ray photoelectron spectroscopy. Sharp peaks in the cubic case, which were absent in the tetragonal case, prove that a van Hove singularity causes a band Jahn-Teller effect with tetragonal distortion. Observations agree well with the first-principles calculations.

研究の動機と目的

• スピントロニクス応用を目的として、垂直磁気異方性が向上したエpitaxial Mn₃₋ₓCoₓGa薄膜の開発。
• コバルトドーピングされたMn-Ga系における高磁気異方性の構造的および電子的起源の解明。
• 実験的および理論的手法を用いて、結晶構造（テトラゴナル対立方晶）と磁気的および電子的性質の相関関係の特定。
• ヘウスラー化合物において大規模な磁気異方性を安定化させるためのヴァン・ホーフェ特異点およびジェーン–テラー歪みの役割の同定。
• Co含有量および結晶対称性の調整により、コercivityおよびエネルギー積の最適化。

提案手法

• 30 nm 厚のエpitaxial Mn₃₋ₓCoₓGa薄膜を、超高真空磁気スパッタリング法を用いて MgO(001) サブストレート上に成長させた。
• 構造的特徴の評価には、面内および面外X線回折（XRD）を用い、特に方位角φスキャンを実施してテトラゴナル D0₂₂ 構造の確認を行った。
• 磁気的性質は、薄膜面に垂直および面内に磁場を印加した状態で、バイブレーティング・サブストレート磁化計（VSM）を用いて測定した。
• 価電子帯の電子的構造は、SPring-8 BL47XUビームラインで実施したハードX線光電子分光法（HAXPES）を用いてプローブした。
• 電子的構造の計算には、ランダム置換を扱うためのコherently なポテンシャル近似を用いた、完全相対論的スピン極化KKR法を実施した。
• 理論的分析により、観察された電子的特徴がバンド・ジェーン–テラー効果に起因し、ヴァン・ホーフェ特異点が構造的歪みに与える影響を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Mn₃₋ₓGaにおけるCoドーピングが、エpitaxial薄膜における結晶構造および磁気異方性にどのように影響を与えるか？
• RQ2 テトラゴナル相の Mn₂.₆Co₀.₃Ga₁.₁ で観察された高い垂直磁気異方性（Kᵤ）の起源は何か？
• RQ3 フェルミエネルギー準位近くに存在するヴァン・ホーフェ特異点が、立方晶相の Mn₂.₁CoGa₀.₉ における電子的および磁気的性質に与える影響は何か？
• RQ4 バンド・ジェーン–テラー効果が、Mn-Co-Gaヘウスラー化合物におけるテトラゴナル歪みをどれほど駆動するか？
• RQ5 実験的HAXPESスペクトルと第一原理計算の状態密度およびスペクトル強度との間には、どのような相違・一致が見られるか？

主な発見

• Mn₂.₆Co₀.₃Ga₁.₁薄膜は、1.2 MJ/m³の高い一軸磁気異方性エネルギー密度を示し、強い垂直磁気異方性を示している。
• 薄膜は低飽和磁化モーメント0.84 μBを維持しており、スピン転送トルクデバイスにおける低スイッチング電流に有利である。
• HAXPES測定により、立方晶相の Mn₂.₁CoGa₀.₉薄膜においてフェルミエネルギー準位より-0.94 eVの位置に明確なヴァン・ホーフェ特異点が観察されたが、テトラゴナル相には存在しなかった。
• Mn₂.₆Co₀.₃Ga₁.₁におけるテトラゴナル歪みは、フェルミエネルギー端縁付近の鋭い特徴を抑制しており、電子的不安定性に起因するバンド・ジェーン–テラー効果を示している。
• 第一原理計算により、ヴァン・ホーフェ特異点をフェルミエネルギーからずらすエネルギー的利得が構造的歪みを駆動していることが確認された。
• Mn₂.₆Co₀.₃Ga₁.₁薄膜では最大エネルギー積（BHₘₐₓ）が453 kJ/m³に達し、永久磁石応用への高い可能性を示している。