[論文レビュー] Tailoring Magnetism of Perpendicularly Magnetized MnxGa Epitaxial Films on GaAs for Practical Applications

Lijun Zhu, Pan Dong+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2012

Magnetic properties of thin films参考文献 26被引用数 35

ひとこと要約

本研究では、分子線 epitaxy を用いて、GaAs サブストレート上に垂直磁化を示す Mn_xGa 薄膜のエpitaxial成長を実証し、広い組成範囲 (x = 0.76–2.6) において高い垂直磁気異方性および頑丈な磁気的性質を達成した。組成の調整と 450 °C での後処理アニールによって、コーエリビティ、残留磁化およびエネルギー積が向上し、L10-秩序化された薄膜はスピントロニクス素子および超高密度磁気記録応用に最適である。

ABSTRACT

MnxGa films with high perpendicular anisotropy, coercivity and energy product have great application potential in ultrahigh-density perpendicular recording, permanent magnets, spin-transfer-torque memory and oscillators, magneto-resistance sensors and ferromagnetic metal/semiconductor heterostructure devices. Here we present a comprehensive diagram of effective magnetism-tailoring of perpendicularly magnetized MnxGa films grown on III-V semiconductor GaAs by using molecular-beam epitaxy for the first time, by systematically investigating the wide-range composition and detailed post-growth annealing effects. We show that the (001)-orientated MnxGa films with L10 or D022 ordering could be crystallized on GaAs in a very wide composition range from x=0.76 to 2.6. L10-ordered MnxGa films show robust magnetization, high remanent ratio, giant perpendicular anisotropy, high intrinsic and extrinsic coercivity, and large energy product, which make this kind of material favorable for perpendicular magnetic recording, high-performance spintronic devices and permanent magnet applications. In contrast, D022-ordered films exhibit lower perpendicular anisotropy and weaker magnetism. Post-growth annealing MnxGa films studies reveal high thermal-stability up to 450 oC, and effective tailoring of magnetic properties can be realized by prolonging annealing at 450 oC. These results would be helpful for understanding this kind of material and designing new spintronic devices for specific practical applications.

研究の動機と目的

• 高機能スピントロニクス素子に用いるため、GaAs 上に垂直磁化を示す Mn_xGa エpitaxial薄膜を開発すること。
• 組成および後処理アニールが磁気異方性およびコーエリビティをどのように制御するかを理解すること。
• 磁気記録および永久磁石応用に最適な薄膜構造、特に L10-秩序相を同定すること。
• 450 °C まで熱安定性を達成し、信頼性の高いデバイス統合を可能にすること。
• スピン転送トルクメモリおよびセンサなどの実用的デバイス応用に向けた磁気的性質の精密な最適化を実現すること。

提案手法

• Mn の組成を制御した (001) 面を指向する Mn_xGa 薄膜を、GaAs サブストレート上に分子線エpitaxy (MBE) を用いて成長させた。
• 安定相を同定するため、広範囲の組成変動 (x = 0.76 から 2.6) を体系的に調査した。
• 磁気的秩序と物性の向上を図るため、延長時間の長い 450 °C での後処理アニールを実施した。
• X線回折および透過型電子顕微鏡を用いて、薄膜内の L10 および D022 秩序を確認した。
• 垂直磁気異方性、コーエリビティ、残留磁化およびエネルギー積を評価するため、磁気ヒステリシス測定を実施した。
• アニール効果を分析し、磁気パラメータの熱安定性および調整可能性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 垂直磁化を示す Mn_xGa 薄膜が、GaAs 上でエpitaxial的に安定化するための Mn 組成の範囲は何か？
• RQ2 450 °C での後処理アニールが、Mn_xGa 薄膜の磁気異方性およびコーエリビティにどのように影響するか？
• RQ3 アニール処理後の Mn_xGa 薄膜における磁気的性質の熱安定性限界は何か？
• RQ4 L10-秩序化と D022-秩序化の Mn_xGa 相は、磁気的性能においてどのように異なるか？
• RQ5 組成およびアニール制御により、Mn_xGa 薄膜の磁気的性質を特定のスピントロニクス応用に有効に最適化できるか？

主な発見

• L10-秩序化 Mn_xGa 薄膜は、巨大な垂直磁気異方性と高いエネルギー積を示し、超高密度磁気記録に適している。
• 組成範囲 (x = 0.76–2.6) にわたり、強固な磁化および高い残留磁化比を維持しており、強力な磁気的安定性を示している。
• 450 °C での延長アニールにより、内在的および外的コーエリビティが顕著に向上した。
• 450 °C まで熱安定性を示し、高温処理プロセスへの統合が可能である。
• L10-秩序化薄膜は D022-秩序化薄膜よりも優れた磁気的性能を示し、異方性は低く、磁化も弱い。
• 組成およびアニール制御による磁気的性質の有効な最適化により、スピン転送トルクメモリおよびセンサなどの特定応用に最適化が可能となった。