Formation of Mn-rich interfacial phases in Co2FexMn1-xSi thin films
Formation of Mn-rich interfacial phases in Co2FexMn1-xSi thin films
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Co2FexMn1-xSi 薄膜中富锰界面相的形成
DOI：
10.1016/j.jmmm.2024.171884
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发表时间：
2024
影响因子：
2.7
通讯作者：
Hauser, Adam J.
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Ming Law, Ka;Thind, Arashdeep S.;Pendharkar, Mihir;Patel, Sahil J.;Phillips, Joshua J.;Palmstrom, Chris J.;Gazquez, Jaume;Borisevich, Albina;Mishra, Rohan;Hauser, Adam J.
本文报道了用分子束外延（MBE）在GaAs衬底上生长的Co2FexMn1-xSi薄膜的界面上形成富锰区。扫描透射电子显微镜（STEM）与电子能量损失（EEL）光谱成像显示，每个界面区域：(1)宽度为1 ~ 2 nm，(2)与Fe/Mn组成比无关，在富Co和贫Co薄膜中都存在，(3)不加区分地置换Co和Fe。我们还观察到，在每个富锰界面层的正上方，每个薄膜上都有一个贫锰区，在x = 0和x = 0.3薄膜中宽度约为3nm，在x = 0.7 （Mn较少）薄膜中宽度约为1nm。我们假设生长能量学有利于Mn向界面扩散，即使没有明显的Ga向外延膜的相互扩散。元素特定的x射线磁圆二色性（XMCD）测量显示，与Co2FexMn1-xSi成分范围内的体积值相比，Co、Fe和Mn的轨道与自旋磁矩比更大。该值介于纯块状和纳米结构Co， Fe和Mn材料的报告值之间，证实了材料在纳米尺度上的非均匀层状性质。最后，SQUID磁强计表明，薄膜偏离了Slater-Pauling规则，即期望和测量成分的均匀薄膜。结果表明，当在III-V半导体（如GaAs）上形成mn基磁性薄膜时，特别是当薄膜在5nm量级时，或者当界面组成对自旋输运或其他器件应用至关重要时，需要小心和加强审查。
We report the formation of Mn-rich regions at the interface of Co2FexMn1-xSi thin films grown on GaAs substrates by molecular beam epitaxy (MBE). Scanning transmission electron microscopy (STEM) with electron energy loss (EEL) spectrum imaging reveals that each interfacial region: (1) is 1–2 nm wide, (2) occurs irrespective of the Fe/Mn composition ratio and in both Co-rich and Co-poor films, and (3) displaces both Co and Fe indiscriminately. We also observe a Mn-depleted region in each film directly above each Mn-rich interfacial layer, roughly 3 nm in width in the x = 0 and x = 0.3 films, and 1 nm in the x = 0.7 (less Mn) film. We posit that growth energetics favor Mn diffusion to the interface even when there is no significant Ga interdiffusion into the epitaxial film. Element-specific X-ray magnetic circular dichroism (XMCD) measurements show larger Co, Fe, and Mn orbital to spin magnetic moment ratios compared to bulk values across the Co2FexMn1-xSi compositional range. The values lie between reported values for pure bulk and nanostructured Co, Fe, and Mn materials, corroborating the non-uniform, layered nature of the material on the nanoscale. Finally, SQUID magnetometry demonstrates that the films deviate from the Slater-Pauling rule for uniform films of both the expected and the measured composition. The results inform a need for care and increased scrutiny when forming Mn-based magnetic thin films on III-V semiconductors like GaAs, particularly when films are on the order of 5 nm or when interface composition is critical to spin transport or other device applications.
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