[논문 리뷰] Perpendicularly magnetized Mn-Co-Ga-based thin films with high coercive field

Siham Ouardi, Takahide Kubota외 6명|arXiv (Cornell University)|2012. 11. 11.

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials인용 수 28

한 줄 요약

이 연구는 Co 도핑을 통해 결정 구조를 조절할 수 있는 에pitaxial Mn-Co-Ga 박막을 제시하며, 테트라고널 Mn₂.₆Co₀.₃Ga₁.₁에서 1.2 MJ/m³의 높은 수직 자기이성도를 달성하고, 0.84 μB의 낮은 포화 자기모멘트를 유지한다. 향상된 이성도는 입방상에서 펌프된 밴드 Jahn–Teller 효과에 기인하며, 이는 펌프된 밴드의 van Hove 특이점이 패전 에너지 수준 근처에 존재하기 때문이다. 이 특이점은 테트라고널 변형에 의해 억제되며, 하드 X선 광전자분광법(HAXPES)과 밴드 이론 계산을 통해 확인되었다.

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.

연구 동기 및 목표

• 스핀트로닉스 응용을 위한 향상된 수직 자기이성도를 갖는 에pitaxial Mn₃₋ₓCoₓGa 박막 개발.
• Co 도핑된 Mn-Ga 체계에서 높은 자기이성도의 구조적 및 전자기 기원 규명.
• 실험적 및 이론적 방법을 통해 결정 구조(테트라고널 대 입방)와 자기 및 전자적 성질 간의 상관관계 규명.
• Heusler 화합물에서 큰 자기이성도를 안정화시키는 van Hove 특이점과 Jahn–Teller 변형의 역할 규명.
• Co 농도와 결정 구조 대칭성 조절을 통한 자기성질 최적화(예: 코erc리브리티 및 에너지 제품)

제안 방법

• 30 nm 두께의 에pitaxial Mn₃₋ₓCoₓGa 박막은 초고진공 자기스파터링을 통해 MgO(001) 기질에 증착.
• 입방 및 면외 방향 X선 회절(XRD)을 이용한 구조적 특성 분석. 테트라고널 D0₂₂ 구조 확인을 위한 자세각 φ-스캔 포함.
• 진동형 샘플 자석계측기(VSM)를 사용하여 박막면에 수직 및 평면 내 자기장 방향에서 자기성질 측정.
• SPring-8 빔라인 BL47XU에서 하드 X선 광전자분광법(HAXPES)을 이용해 최외각 전자 구조 탐측.
• 무작위 치환을 위한 일관된 잠재력 근사법을 사용한 완전 상대론적 스핀-지향 KKR 방법을 이용한 전자 구조 계산.
• 이론적 분석을 통해 관측된 전자 구조적 특징을 밴드 Jahn–Teller 효과와 van Hove 특이점이 구조적 변형에 미치는 영향과 연결.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Mn₃₋ₓGa에 대한 Co 도핑이 에pitaxial 박막에서 결정 구조와 자기이성도에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 테트라고널 Mn₂.₆Co₀.₃Ga₁.₁에서 관측된 높은 수직 자기이성도(Kᵤ)의 기원은 무엇인가?
• RQ3 패전 에너지 수준 근처의 van Hove 특이점 존재가 입방상 Mn₂.₁CoGa₀.₉의 전자 및 자기 성질에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 밴드 Jahn–Teller 효과가 Mn-Co-Ga Heusler 화합물에서 테트라고널 변형을 얼마나 유도하는가?
• RQ5 실험적 HAXPES 스펙트럼과 밴드 이론 계산 간의 밀도 상태 및 스펙트럼 강도 측면에서의 비교는 어떻게 되는가?

주요 결과

• Mn₂.₆Co₀.₃Ga₁.₁ 박막은 1.2 MJ/m³의 높은 축방향 자기이성도 에너지 밀도를 나타내며, 강한 수직 자기이성도를 의미한다.
• 박막은 0.84 μB의 낮은 포화 자기모멘트를 유지하며, 스핀트랜스터 토크 장치에서 낮은 스위칭 전류에 유리하다.
• HAXPES 측정에서 입방상 Mn₂.₁CoGa₀.₉ 박막에서 패전 에너지 수준 이하 -0.94 eV 곳에 날카운 van Hove 특이점이 관측되었으며, 이는 테트라고널 상에서는 존재하지 않았다.
• Mn₂.₆Co₀.₃Ga₁.₁의 테트라고널 변형은 패전 가장자리 근처의 날카운 특징을 억제하며, 전자적 불안정성에 기인한 밴드 Jahn–Teller 효과를 시사한다.
• 밴드 이론 계산은 패전 에너지 수준에서의 van Hove 특이점 이격으로 인한 에너지 손실이 구조적 변형을 유도함을 확인한다.
• Mn₂.₆Co₀.₃Ga₁.₁ 박막에서 최대 에너지 제품(BHₘₐₓ)은 453 kJ/m³에 도달하여 영구자석 응용 잠재력이 높음을 시사한다.