[논문 리뷰] Thickness-dependent structural, magnetic and transport properties of epitaxial Co2FeAl Heusler alloy thin films

Wenhong Wang, Enke Liu외 6명|arXiv (Cornell University)|2012. 10. 22.

Heusler alloys: electronic and magnetic properties참고 문헌 1인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 MgO(001) 기반 상에서 에pitaxial Co2FeAl (CFA) 헤우슬러 박막의 두께에 따른 구조적, 자성 및 전도성 특성을 조사한다. 박막은 고도로 질서정리된 B2 구조를 보이며, 평면내 일축 자성 이방성을 가지며, 비정상적 홀 저항은 기울기 산란에 의해 지배되며 온도 의존성이 약하며 두께가 감소할수록 표면/계면 전자 상태의 강화로 인해 크기가 증가한다.

ABSTRACT

We report on a systematic study of the structural, magnetic properties and the anomalous Hall effect, in the Heusler alloy Co2FeAl (CFA) epitaxial films on MgO(001), as a function of film thickness. It was found that the epitaxial CFA films show a highly ordered B2 structure with an in-plane uniaxial magnetic anisotropy. An analysis of the electrical transport properties reveals that the lattice and magnon scattering contributions to the longitudinal resistivity. Independent on the thickness of films, the anomalous Hall resistivity of CFA films is found to be dominated by skew scattering only. Moreover, the anomalous Hall resistivity shows weakly temperature dependent behavior, and its absolute value increases as the thickness decreases. We attribute this temperature insensitivity in the anomalous Hall resistivity to the weak temperature dependent of tunneling spin-polarization in the CFA films, while the thickness dependence behavior is likely due to the increasing significance of interface or free surface electronic states.

연구 동기 및 목표

• 에피택셜 Co2FeAl 헤우슬러 합금 박막의 두께가 구조적, 자성 및 전도성 특성에 미치는 영향을 이해하는 것.
• 다양한 두께에서 CFA 박막의 비정상적 홀 효과(AHE) 거동의 기원을 규명하는 것.
• 계면 및 자유 표면 전자 상태가 전도 및 자성 반응에 미치는 영향을 조사하는 것.
• CFA 박막에서 격자 및 면진 스캐터링이 縦방향 저항에 기여하는 방식을 명확히 하는 것.

제안 방법

• 고구조적 품질을 확보하기 위해 분자빔 에pitaxial을 사용하여 MgO(001) 기반 상에 Co2FeAl 박막을 성장시켰다.
• X선 회절 및 고해상도 투과전자현미경을 이용한 구조적 특성 분석을 통해 B2 정렬 및 에피택셜 정렬을 확인하였다.
• SQUID 자화계수 및 진동 샘플 자화계수를 이용해 자성 이방성 및 자화를 측정하였다.
• 온도 및 박막 두께에 따라 종방향 저항 및 비정상적 홀 저항을 측정하기 위한 전기적 운반 특성 측정을 수행하였다.
• 비정상적 홀 효과를 분석하여 기울기 산란과 측면 점프 기여를 구별하였다.
• 온도 의존성 저항 데이터를 분해하여 격자 및 면진 스캐터링 기여를 분리하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 박막 두께가 MgO(001) 상에서 Co2FeAl 헤우슬러 박막의 구조적 질서 및 에피택셜 품질에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 Co2FeAl 박막에서 비정상적 홀 효과의 주요 메커니즘은 무엇이며, 두께에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 격자 및 면진 스캐터링은 이러한 박막의 종방향 저항에 어떻게 기여하는가?
• RQ4 왜 비정상적 홀 저항은 다양한 두께에서 온도 의존성이 약한가?
• RQ5 왜 비정상적 홀 저항의 크기가 박막 두께가 감소함에 따라 증가하는가?

주요 결과

• Co2FeAl 박막은 두께에 관계없이 고도로 질서정리된 B2 구조와 평면내 일축 자성 이방성을 보이며, 이는 구조적 안정성을 시사한다.
• 비정상적 홀 저항은 모든 두께에서 기울기 산란에 의해 지배되며, 측면 점프 메커니즘의 기여는 유의미하지 않다.
• 비정상적 홀 저항은 온도 의존성이 약하며, 온도에 따른 터널링 스핀 균형의 변화가 미미함을 시사한다.
• 비정상적 홀 저항의 절대값은 두께가 감소할수록 증가하며, 표면 또는 계면 전자 상태의 강화를 나타낸다.
• 격자 및 면진 스캐터링은 종방향 저항에 기여하며, 모든 두께에서 이 두 메커니즘이 존재한다.
• 비정상적 홀 저항의 두께 의존성은 더 얇은 박막에서 계면 또는 자유 표면 전자 상태의 기여가 증가하기 때문으로 기인된다.