Realización de Fase Skyrmion en Películas Delgadas MnSi Crecidas en Zafiro mediante Pulverización Catódica Convencional

Resumen

Los skyrmiones quirales topológicamente protegidos son una textura de espín intrigante que ha atraído mucha atención debido a investigación fundamental y futuras aplicaciones espintrónicas. MnSi con estructura no centrocímirica es un material bien conocido que alberga fase skyrmion. Hasta la fecha, la preparación de cristales MnSi se ha investigado usando instrumentos especiales con cámara de ultraalto vacío. Aquí introducimos una forma fácil de crecer películas MnSi en sustrato de zafiro usando entorno de vacío relativamente bajo de pulverización catódica magnétrica convencional. Aunque las películas MnSi crecidas tienen naturaleza policristalina, se observa fase skyrmion estable en amplio rango de temperaturas y campos magnéticos mediante propiedades magnetotransporte incluyendo análisis de escalamiento fenomenológico de contribución de resistividad Hall. Nuestros hallazgos proporcionan no solo una forma general de preparar materiales que poseen fases skyrmion sino también visión para investigación futura para estimular más grados de libertad en nuestra inquisitividad.

Introducción

Los skyrmiones quirales topológicamente protegidos tienen textura de espín vorticial no trivial, donde espines magnéticos estabilizados por interacción Dzyaloshinskii-Moriya (DMI) se alinean de manera no colineal rodeando una esfera [1]. Un gran DMI se induce generalmente en ferromagnetos no centrocímiricos, debido a la simetría de inversión rota [2]. Esta textura de espín compleja ha ganado atención masiva debido a propiedades físicas intrigantes tanto para investigación fundamental como para posibles aplicaciones en tecnología futura [3, 4]. Comparados a paredes de dominio magnético, dominios skyrmion exhiben movimiento estable impulsado por corriente a densidad de corriente notablemente baja, permitiendo dispositivos espintrónicos de bajo consumo [5].

MnSi con fase B20 no centrocímirica es un material helimagnético arquetípico que alberga red skyrmiónica, estudiado teórica y experimentalmente por décadas [6,7,8,9,10]. En la red skyrmiónica de MnSi, se observa torque de transferencia de espín (STT), llevando a investigaciones adicionales sobre inyección de corrientes polarizadas en espín [5]. En particular, el tamaño skyrmion de MnSi varía ~18 nm, considerado pequeño entre grupos conocidos con texturas de espín skyrmion [11]. STT tiende a aumentar significativamente con reducción de tamaño skyrmion [12, 13]. Aunque parámetros materiales afectan tamaño skyrmion, DMI e interacción de intercambio ferromagnético contribuyen principalmente a determinar tamaño skyrmion [14]. En este sentido, MnSi tiene excelentes perspectivas como buen candidato para física aplicada.

Para confirmar skyrmiones evidentes, diversas herramientas de medición, como microscopía electrónica de transmisión Lorentz, microscopía de rayos X suaves magnética, microscopía de fuerza magnética, y dispersión neutrónica de ángulo pequeño, se han usado [15,16,17,18]. Tales herramientas microscópicas permiten identificación directa de red skyrmiónica en espacio real, pero se necesitan cristales únicos de alta calidad o películas delgadas epitaxiales, que se crecen con instrumentos especiales con cámara de alto vacío. La otra forma de revelar existencia de skyrmiones es medir propiedades magnetotransporte y efecto Hall topológico (THE), como se muestra en reportes previos [9, 19,20,21]. Los skyrmiones pueden observarse incluso en muestras policristalinas porque son objetos topológicos en los que la fase topológica es menos susceptible a impurezas o naturaleza cristalina [22].

Aquí reportamos propiedades magnetotransporte de MnSi policristalino crecido por pulverización catódica convencional. Empleamos difracción de rayos X (XRD) y microscopía electrónica de transmisión (TEM) para identificar fase única de cristales MnSi y su cristalinidad. La transición magnética aproximadamente a 25 K se reveló midiendo curvas de magnetización y resistencia dependientes de temperatura, donde datos de magnetorresistencia también exhibieron forma distinguible en el borde de temperatura de transición. Extraímos exitosamente señal THE de resistencia Hall medida, y trazamos mapeo de contorno de resistividad Hall topológica como función de temperatura y campo magnético. Además, el análisis de contribución de resistividad Hall anómala en películas MnSi implicó estabilización de fase skyrmion en rango más amplio de temperaturas y campos magnéticos, a pesar de impurezas y defectos en muestra MnSi policristalina. Nuestros hallazgos muestran que skyrmiones pueden observarse en películas MnSi policristalinas crecidas por instrumentos fáciles e económicos, y investigaciones adicionales de materiales similares poseyendo redes skyrmiónicas pueden estimularse.

Métodos

Películas MnSi se depositaron en sustratos Si (001) y c-corte zafiro (Al₂O₃) por pulverización catódica magnétrica corriente continua (DC)/radiofrecuencia (RF) con presión base 1,0 × 10^–6 Torr. Las películas MnSi se crecieron a temperatura ambiente bajo presión Ar 10 mTorr por co-pulverización de blancos Mn y Si por 5 min. La potencia DC para blanco Mn fue 10 a 20 W, y potencia RF para blanco Si fue 100 W. Tras deposición de MnSi, el MnSi crecido se cristalizó induciendo tratamiento de recocido in situ por 2 h en rango temperatura 550–590 °C. La fase cristalina y estructura de muestras se examinaron por XRD con fuente rayos X Mo y Ag a 60 kV. La caracterización morfológica y composición química de muestras se analizaron por microscopía electrónica de barrido (SEM), microscopía de fuerza atómica (AFM), y microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HR-TEM) equipada con espectroscopía dispersiva en energía (EDS). Las propiedades magnéticas y eléctricas se midieron usando dispositivo de interferencia cuántica superconductor-magnetómetro de muestra vibrante (SQUID-VSM), donde campo magnético y temperatura se barrieron hasta 50 kOe y 2 K, respectivamente.

Resultados y Discusión

El crecimiento de películas MnSi se ha descrito bien en reportes previos con varios métodos [2, 9, 2,9,21,22,23,24,25]. Sin embargo, la mayoría de técnicas para crecer MnSi requieren instalaciones específicas con entorno de ultraalto vacío, mientras desarrollo de pulverización catódica magnétrica convencional con presión base relativamente baja no se ha introducido aún. Dado que el desajuste de red entre sustrato Si (001) y estructura cúbica MnSi se estima aproximadamente 19%, probamos condiciones óptimas de crecimiento de películas MnSi en sustratos Si (001). Se empleó método de co-pulverización con blancos Mn y Si, y condiciones de crecimiento como potencia RF, temperatura de crecimiento, y tratamientos de recocido se controlaron minuciosamente para crecer películas MnSi (Archivo adicional 1: Tabla S1). Aguf et al. reportaron que películas MnSi depositadas eran amorfas a menos que se cristalizaran por tratamiento de recocido [23]. En efecto, encontramos que el MnSi amorfo depositado inicialmente se convirtió en fase MnSi cristalizada tras tratamiento de recocido (Archivo adicional 1: Fig. S1). La mayoría de resultados usando sustratos Si (001), sin embargo, mostraron que fases mixtas de MnSi y Mn₅Si₃ se observaron por mediciones XRD. Por esta razón, sustratos Si (001) fueron reemplazados por sustratos Al₂O₃ con bajo desajuste de red (~4,2%).

La Figura 1 presenta patrones XRD de películas MnSi crecidas en Si (línea sólida negra) y Al₂O₃ (líneas sólidas azul y roja) sustratos, donde películas MnSi en Si (001) y en Al₂O₃ #1 se depositaron bajo mismas condiciones de crecimiento (15 W potencia para Mn, 100 W potencia para Si, 590 °C tratamiento recocido). Nota que picos de sustrato no se mostraron para todas las muestras porque se usó técnica de difracción de rayos X de incidencia rasante. El asterisco en la figura indica fase Mn₅Si₃ (tarjeta ICSD no. 04–003-4114). Para película MnSi en Si (001), picos MnSi se observaron principalmente; además, cinco picos coincidieron con fase Mn₅Si₃ y varios picos de impurezas desconocidas se detectaron. Sin embargo, encontramos que picos relacionados con fase Mn₅Si₃ fueron suprimidos y picos desconocidos desaparecieron para MnSi en Al₂O₃ #1. Además, la muestra MnSi en Al₂O₃ #2, en que potencia Mn y temperatura recocido disminuyeron a 10 W y 550 °C, respectivamente, mostró solo picos MnSi (tarjeta ICSD no. 04–004-7568).

Aunque el MnSi crecido en Al₂O₃ #2 mostró superficie algo defectuosa, se observó superficie altamente uniforme y baja irregularidad, como se muestra en imagen SEM Fig. 2a y imagen topográfica AFM Fig. 2b. En escala 15 × 15 μm de imagen AFM, la rugosidad cuadrática media (RMS) se midió bajo 1 nm. Para caracterizar estructura detallada y composición química, se realizaron análisis TEM transversales de MnSi crecido en Al₂O₃ #2. La Figura 2c muestra imagen TEM transversal representativa de MnSi en Al₂O₃ #2 en región interfacial. Nota que no se observaron fallos de apilamiento ni defectos significativos. Cuando películas MnSi se crecen por pulverización catódica convencional en cámara de vacío relativamente baja, es difícil esperar que MnSi crezca epitaxialmente en dirección preferida de superficie de sustratos, considerando parámetros estructurales como desajuste de red y enlace químico. Nuestras películas MnSi crecidas en Al₂O₃ tienen naturaleza policristalina, confirmada por patrones XRD (Fig. 1) y transformada rápida de Fourier (FFT) de imagen TEM [inset Fig. 2c]. Examinamos composición química de películas MnSi crecidas. Como se ve en mapeo EDS-TEM Fig. 2d, presencia de solo elementos Mn y Si se detectó en varias regiones diferentes, y relación atómica Mn/Si = 1:1,1 se estimó. Probamos tasa de crecimiento de películas MnSi controlando tiempo de crecimiento. El espesor de películas MnSi crecidas mostró comportamiento lineal para tiempo de crecimiento (Archivo adicional 1: Fig. S2).

La Figura 3a muestra dependencia de temperatura de magnetización para MnSi en Al₂O₃ (espesor 25 nm) medida en campo magnético fuera del plano 1 kOe. La magnetización cayó significativamente a temperaturas sobre 25 K, indicando temperatura de transición ferromagnética (T_C), similar a MnSi masivo [26, 27]. La resistividad dependiente de temperatura exhibió comportamiento metálico sobre T_C, como se muestra en Fig. 3b. Debajo T_C, la resistividad tendió a disminuir con dependencia T² al disminuir temperatura, debido al acoplamiento de portadores de carga a fluctuaciones de espín en fase helimagnética [28]. Como se ve en inset Fig. 3b, la derivada de resistividad versus temperatura resaltó T_C de películas MnSi aproximadamente 25 K. Los policristales y defectos en superficie dan lugar a baja relación de resistividad residual, i.e., [ρ(300 K)/ρ(5 K)] ~ 1,7.

La Figura 3c muestra magnetorresistencia para campos magnéticos perpendiculares al plano de película a diferentes temperaturas 2 K, 25 K, y 50 K. Como discutimos arriba, ya que películas MnSi crecidas tenían naturaleza policristalina, la transición de fase magnética desde magnetorresistencia no se observó claramente. En bajos campos magnéticos, sin embargo, la dependencia de temperatura de magnetorresistencia exhibió características distinguibles. A medida que temperatura aumentaba, la forma de magnetorresistencia en vecindad de campo magnético cero cambió de plana (2 K) a aguda (25 K) y ancha (50 K) picos.

Respecto al efecto Hall impulsado por quiralidad de espín, THE puede ser inducido por DMI surgida de fuerte acoplamiento espín-órbita y estructura cristalina B20 no centrocímirica [29], considerada sello de existencia de fase skyrmion. Realizamos mediciones de resistividad Hall para observar resistividad anómala relacionada con THE. La resistividad Hall total se puede expresar como combinación de tres componentes:

$$\begin{aligned} \rho_{{{\text{Hall}}}} & = \rho_{{{\text{normal}}}} + \rho_{{{\text{AHE}}}} + \rho_{{{\text{THE}}}} \\ & = R_{0} H + \left( {\alpha \rho_{xx0} + \beta \rho_{xx0}^{2} + b\rho_{xx}^{2} } \right)M + n_{{{\text{Skx}}}} PR_{{{\text{TH}}}} B_{{{\text{eff}}}} , \\ \end{aligned}$$

donde ρ_normal, ρ_AHE, y ρ_THE son resistividades Hall normal, anómala, y topológica, respectivamente. R₀ es coeficiente Hall normal, y α, β, y b son constantes correspondientes a contribuciones scattering sesgado, salto lateral, e intrínseca a resistividad Hall anómala. Adicionalmente, n_Skx es densidad relativa skyrmion, P es polarización de electrones de conducción, R_TH es coeficiente Hall topológico, y B_eff es campo magnético efectivo derivado de fase Berry real [20, 30]. La contribución Hall topológica puede extraerse restando términos resistividad Hall normal y anómala de resistividad Hall total medida.

La Figura 4a muestra datos Hall desconvolucionados para extraer señal THE a 10 K como curva azul, incluyendo normal (línea verde) y anómala (curva roja) resistividades Hall. Nota que pendiente positiva de ρ_normal indica portadores mayoritarios tipo p, y ρ_AHE es negativa, consistente con MnSi masivo [31], películas delgadas [9], y nanohilos [20]. ρ_normal se obtiene de ajuste lineal en altos campos magnéticos, y ρ_AHE se toma directamente de datos de magnetización. La ρ_THE dependiente de temperatura se muestra en Fig. 4b. Interesantemente, el signo de ρ_THE se invirtió en el borde de 25 K, donde se esperaba transición magnética. El signo de ρ_THE es muy sensible a polarización de espín de portadores de carga. En estructura de bandas MnSi, electrones localizados en banda d afectan densidad de estados cerca de nivel Fermi, mientras electrones itinerantes en banda s contribuyen escasamente a estructura de bandas [31], permitiendo polarización de espín delicada. Además, ya que polarización de espín puede cambiarse por factores externos como tensión tensil y pureza cristalina con temperatura [9], el signo invertido de ρ_THE en nuestra muestra MnSi policristalina es razonable. La Figura 4c presenta mapeo de contorno de ρ_THE como función de campo magnético y temperatura. Mientras fase skyrmion en MnSi masivo se observó en rango estrecho de temperatura cercano a temperatura de transición magnética, ρ_THE no nulo se recolectó de 2 a 40 K independientemente del signo. El valor absoluto de ρ_THE tuvo máximo 36 nΩ cm a 10 K y 4 kOe, mayor que películas delgadas crecidas por MBE (10 nΩ cm) [9], masivo (4,5 nΩ cm) [32], y nanohilo (15 nΩ cm) [20] pero similar a películas delgadas crecidas por pulverización catódica magnétrica off-axis con cámara ultraalto vacío [25].

ρ_AHE consiste en tres componentes: scattering sesgado, salto lateral, y contribuciones intrínsecas. Una implicación en escalamiento de contribución Hall anómala es que ρ_AHE es proporcional a contribución intrínseca, \(\rho_{xx}^{2}\), asociada con fase Berry del espacio de momentum [33]. En Fig. 4d, trazamos ρ_AHE contra \(\rho_{xx}^{2}\) a 20 kOe, mostrando desviación obvia de dependencia lineal. La ruptura del escalamiento sugiere que efecto Hall anómalo es relevante a contribuciones extrínsecas scattering sesgado y salto lateral causadas por impurezas y defectos en nuestra muestra MnSi policristalina, reteniendo estabilización de fase skyrmion en rango más amplio de temperaturas y campos magnéticos.

Conclusión

En resumen, demostramos método para crecer películas MnSi en Al₂O₃ por pulverización catódica magnétrica convencional con cámara de vacío relativamente baja. Desarrollar forma fácil de fabricar diversas nanoestructuras es imperativo [34, 35]. Los análisis espectroscópicos y morfológicos confirmaron que películas MnSi depositadas tienen naturaleza policristalina con superficie altamente uniforme y baja rugosidad. Las propiedades de transporte exhiben características intrínsecas de MnSi, aunque temperatura de transición magnética fue ligeramente menor que resultados previos. Más importante, observamos fase skyrmion estable en amplio rango de temperaturas y campos magnéticos, incluso en nuestras películas MnSi policristalinas, atribuido a implicación complicada de contribución de resistividad Hall. Este trabajo abre oportunidad para investigación extensiva de materiales poseyendo fases skyrmion más allá de la carga de preparar cristales únicos o películas delgadas epitaxiales.

Disponibilidad de datos y materiales

Todos los datos generados o analizados durante este estudio están incluidos en este artículo publicado y sus archivos de información suplementaria, y disponibles del autor correspondiente bajo solicitud razonable.

Abreviaturas

DMI:

Interacción Dzyaloshinskii-Moriya

STT:

Torque de transferencia de espín

THE:

Efecto Hall topológico

XRD:

Difracción de rayos X

TEM:

Microscopio electrónico de transmisión

Al₂O₃:

Zafiro

DC:

Corriente continua

RF:

Radiofrecuencia

SEM:

Microscopía electrónica de barrido

AFM:

Microscopía de fuerza atómica

HR-TEM:

Microscopía electrónica de transmisión de alta resolución

EDS:

Espectroscopía dispersiva en energía

SQUID-VSM:

Dispositivo de interferencia cuántica superconductor-magnetómetro de muestra vibrante

RMS:

Raíz cuadrática media

FFT:

Transformada rápida de Fourier

T_C:

Temperatura de transición ferromagnética