[论文解读] Thickness-dependent structural, magnetic and transport properties of epitaxial Co2FeAl Heusler alloy thin films

Wenhong Wang, Enke Liu+6 more|arXiv (Cornell University)|Oct 22, 2012

Heusler alloys: electronic and magnetic properties参考文献 1被引用 5

一句话总结

本研究探讨了在MgO(001)衬底上外延生长的Co2FeAl（CFA）Heusler薄膜的厚度依赖性结构、磁性和输运性质。研究发现，这些薄膜表现出高度有序的B2结构及面内单轴磁各向异性，且反常霍尔电阻率主要由倾斜散射主导，具有微弱的温度依赖性，其幅值随厚度减小而增大，这是由于表面/界面电子态增强所致。

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.

研究动机与目标

• 理解薄膜厚度如何影响外延Co2FeAl Heusler合金薄膜的结构、磁性和输运性质。
• 确定在不同厚度下反常霍尔效应（AHE）行为的起源。
• 研究界面和自由表面电子态在调控输运和磁响应中的作用。
• 明确晶格和自旋波散射对CFA薄膜纵向电阻率的贡献。

提出的方法

• 采用分子束外延技术在MgO(001)衬底上生长外延Co2FeAl薄膜，以确保高结构质量。
• 利用X射线衍射和高分辨透射电子显微镜进行结构表征，以确认B2有序结构和外延取向。
• 通过SQUID磁力计和振动样品磁力计测量磁各向异性和磁化强度。
• 进行温度和薄膜厚度依赖的电输运测量，包括纵向电阻率和反常霍尔电阻率。
• 分析反常霍尔效应，以区分倾斜散射与侧向跃迁机制的贡献。
• 对温度依赖的电阻率数据进行分解，以分离晶格和自旋波散射的贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 薄膜厚度如何影响Co2FeAl Heusler薄膜在MgO(001)衬底上的结构有序度和外延质量？
• RQ2 Co2FeAl薄膜中反常霍尔效应的主导机制是什么？其随厚度如何变化？
• RQ3 晶格和自旋波散射如何贡献于这些薄膜的纵向电阻率？
• RQ4 为何反常霍尔电阻率在不同厚度下表现出微弱的温度依赖性？
• RQ5 反常霍尔电阻率幅值随薄膜厚度减小而增大的原因是什么？

主要发现

• 无论厚度如何，Co2FeAl薄膜均表现出高度有序的B2结构及面内单轴磁各向异性，表明其结构稳定性。
• 在所有厚度下，反常霍尔电阻率主要由倾斜散射主导，侧向跃迁机制无显著贡献。
• 反常霍尔电阻率表现出微弱的温度依赖性，表明自旋极化隧穿行为随温度变化较小。
• 反常霍尔电阻率的绝对值随薄膜厚度减小而增大，表明表面或界面电子态增强。
• 晶格和自旋波散射均对纵向电阻率有贡献，且在所有厚度下均存在。
• 反常霍尔电阻率的厚度依赖性可归因于更薄薄膜中界面或自由表面电子态贡献的增加。