Molecular beam epitaxy and magnetotransport of manganese monosilicide layers on (111) silicon substrates
Final Report Abstract
Wir haben die Abscheidung von Mangan-Monosilizid (MnSi) Schichten mittels Molekularstrahlepitaxie auf Si(111) Substrate optimiert und die strukturellen, magnetischen und Magnetotransport-Eigenschaften der Schichten untersucht. MnSi ist ein magnetisches Metall mit der kubischen B20 Kristallstructur, die eine structurelle Händigkeit aufweist. Diese resultiert in einem vielfältigen magnetischen Phasendiagramm abhängig von der Temperatur und dem externen Magnetfeld sowie in einem komplizierten Magnetotransport-Verhalten. Die Wechselwirkung der geordneten magnetischen Zustände und des teilweise spinpolarisierten Stroms in Nanostrukturen verspricht neue spintronische Effekte in diesem Si-basierenden Materialsystem. Die interessanteste Phase ist ein Skyrmionen-Gitter mit etwa 20 nm Periode, dessen Händigkeit verknüpft ist mit der der Kristallstruktur. Die epitaktischen MnSi/Si(111) Schichtstrukturen weisen keine anderen Silizidphasen und hohe strukturelle Qualität auf. Röntgenbeugung und Transmissionselektronenmikroskopie zeigen jedoch eine Zwillingsdomänenstruktur. Rechts- und linkshändige MnSi Domänen sind um +30° beziehungsweise -30° azimuthal gedreht. Diese Drehungen reduzieren die Gitterfehlanpassung zu Silizium auf 3.1% und die Schichten mit Dicken von 5 nm bis 32 nm sind weitgehend relaxiert. Wir erreichen eine Unterdrückung der Zwillingsbildung durch Wachstum auf chiralen Si(531) and Si(321) Substraten. Letztere bewirken die Unterdrückung einer der Domänen auf etwa 10% Volumenanteil. Magnetometrie-Messungen ergeben einen feldpolarisierten Zustand bei niedrigen Temperaturen und Magnetfeldern über etwa 0.6 T. Bei niedrigeren Magnetfeldern wird ein komplexes Hystereseverhalten beobachtet. The Curie-Weiss Temperatur der Schichten ist etwa 48 K. Aus den Schichten wurden lithographische Hall-Strukturen hergestellt und diese in Magnetotransportmessungen bei niedrigen Temperaturen untersucht. Der spezifische Widerstand wird beeinflusst von Spin-Fluktuationen und von selbst kleinen Abweichungen in der Stöchiometrie. Konventionelle Hall-Widerstandsmessungen von MnSi/Si(111) Schichten mit senkrechtem Magnetfeld weisen auf hohe Ladungsträgerdichten von etwa 4x1022 cm^-3 und ein Hystereseverhalten bei kleinen Feldern hin. Es wurden auch der anisotrope Magnetowiderstands-Effekt (AMR) und der planare Hall- Effekt (PHE) in einem Magnetfeld, das in der Schichtebene gedreht wird, untersucht. Diese Magnetowiderstandseffekte hängen von dem Winkel des Stroms und auch dem Winkel der Magnetisierung bezüglich einer hochsymmetrischen Kristallrichtung ab. Diese Effekte werden in der Literatur als Nachweismethode der Skyrmion-Phase in MnSi kontrovers diskutiert. Beide Effekte können für die MnSi(111) Schichten im feldpolarisierten Zustand gut in einem phenomenologischen Modell beschrieben werden, das die Komponenten der Richtungsvektoren bis zur sechsten Ordnung berücksichtigt. Aufgrund der dreizähligen Dreh- und Spiegelsymmetrie der Schichten ist dies mit nur drei Fit-Parametern möglich. Bei niedrigeren Magnetfeldern verdeckt jedoch die Drehung der Magnetisierung mit ihrem Hystereseverhalten mögliche klare Anzeichen von Skyrmionen in den anisotropen Magnetowiderstandsmessungen. Die vorgeschlagene Anwendung von Skyrmionen und deren Einfluss auf den elektrischen Magnetotransport in MnSi Schichten oder vergleichbaren magnetischen Strukturen in zukünftigen spintronischen Bauelementen erfordert weiterführende Studien ihres Magnetismus, ihres Hystereseverhaltens und ihrer Magnetotransport- Eigenschaften.
Publications
- Twin domains in epitaxial thin MnSi layers on Si(111), J. Appl. Phys. 122, 245310 (2017).
M. Trabel, N. V. Tarakina, C. Pohl, J. A. Constantino, C. Gould, K. Brunner and L. W. Molenkamp
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4990284)
