Влияние буферного слоя на структуру, морфологию и магнитные свойства пленок Mn5Ge3, синтезированных на подложках Si(111)
- Авторы: Рауцкий М.В.1, Лукьяненко А.В.1,2, Комогорцев С.В.1,3, Соболев И.А.1,2, Шанидзе Л.В.1, Бондарев И.А.1, Бондарев М.А.1, Еремин Е.В.1,2,3, Яковлев И.А.1, Сухачев А.Л.1, Молокеев М.С.2, Соловьев Л.А.4, Варнаков С.Н.1, Овчинников С.Г.1,2, Волков Н.В.1, Тарасов А.С.1,2
-
Учреждения:
- Институт физики им. Л.В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН
- Сибирский федеральный университет
- Сибирский государственный университет науки и технологий им. М.Ф. Решетнева
- Институт химии и химической технологии ФИЦ КНЦ СО РАН
- Выпуск: Том 125, № 12 (2024)
- Страницы: 1501-1511
- Раздел: ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА
- URL: https://innoscience.ru/0015-3230/article/view/681048
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0015323024120055
- EDN: https://elibrary.ru/IJKGUZ
- ID: 681048
Цитировать
Аннотация
Исследовано влияние буферного слоя MnxGey на морфологию, транспортные и магнитные свойства тонких пленок Mn5Ge3, выращенных на подложках Si(111). С помощью рентгеноструктурного анализа и атомно-силовой микроскопии обнаружено, что изменение толщины и строения буферного слоя с градиентным составом MnxGey позволяет управлять кристаллическим качеством и гладкостью эпитаксиальных пленок. Изменение микроструктуры и рельефа не влияет на температуру фазовых переходов, выявленных из температурных зависимостей удельного сопротивления и намагниченности при 75 K и 300 K. Показано, что особенности формы кривой намагничивания для пленок с различными буферными слоями тесно связаны с неоднородностью пленок по толщине и рельефу при сохранении микромагнитных констант и ориентации оси легкого намагничивания. Была рассчитана величина изменения магнитной части энтропии DS, которая составила 2.1 Дж кг-1 К-1 при 1 T, что сравнимо с эффектом в гадолинии и превышает эффект в пленках Mn5Ge3(001), выращенных на подложках GaAs.
Ключевые слова
Полный текст

Об авторах
М. В. Рауцкий
Институт физики им. Л.В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН
Автор, ответственный за переписку.
Email: taras@iph.krasn.ru
Россия, Красноярск
А. В. Лукьяненко
Институт физики им. Л.В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН; Сибирский федеральный университет
Email: taras@iph.krasn.ru
Россия, Красноярск; Красноярск
С. В. Комогорцев
Институт физики им. Л.В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН; Сибирский государственный университет науки и технологий им. М.Ф. Решетнева
Email: taras@iph.krasn.ru
Россия, Красноярск; Красноярск
И. А. Соболев
Институт физики им. Л.В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН; Сибирский федеральный университет
Email: taras@iph.krasn.ru
Россия, Красноярск; Красноярск
Л. В. Шанидзе
Институт физики им. Л.В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН
Email: taras@iph.krasn.ru
Россия, Красноярск
И. А. Бондарев
Институт физики им. Л.В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН
Email: taras@iph.krasn.ru
Россия, Красноярск
М. А. Бондарев
Институт физики им. Л.В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН
Email: taras@iph.krasn.ru
Россия, Красноярск
Е. В. Еремин
Институт физики им. Л.В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН; Сибирский федеральный университет; Сибирский государственный университет науки и технологий им. М.Ф. Решетнева
Email: taras@iph.krasn.ru
Россия, Красноярск; Красноярск; Красноярск
И. А. Яковлев
Институт физики им. Л.В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН
Email: taras@iph.krasn.ru
Россия, Красноярск
А. Л. Сухачев
Институт физики им. Л.В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН
Email: taras@iph.krasn.ru
Россия, Красноярск
М. С. Молокеев
Сибирский федеральный университет
Email: taras@iph.krasn.ru
Россия, Красноярск
Л. А. Соловьев
Институт химии и химической технологии ФИЦ КНЦ СО РАН
Email: taras@iph.krasn.ru
Россия, Красноярск
С. Н. Варнаков
Институт физики им. Л.В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН
Email: taras@iph.krasn.ru
Россия, Красноярск
С. Г. Овчинников
Институт физики им. Л.В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН; Сибирский федеральный университет
Email: taras@iph.krasn.ru
Россия, Красноярск; Красноярск
Н. В. Волков
Институт физики им. Л.В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН
Email: taras@iph.krasn.ru
Россия, Красноярск
А. С. Тарасов
Институт физики им. Л.В. Киренского ФИЦ КНЦ СО РАН; Сибирский федеральный университет
Email: taras@iph.krasn.ru
Россия, Красноярск; Красноярск
Список литературы
- Žutić I., Fabian J., Sarma S.D. Spintronics: Fundamentals and applications // Rev. Mod. Phys. 2004. V. 76(2). P. 323.
- Ustinov V.V., Yasyulevich I.A., Bebenin N.G. Playing Pure Spin Current in Helimagnets: Toward Chiral Spin-Orbitronics // Phys. Met. Metal. 2023. V. 124(14). P. 1745–1767.
- Bhatti S., Sbiaa R., Hirohata A., Ohno H., Fukami S., Piramanayagam S.N. Spintronics based random access memory: A review // Mater. Today. 2017. V. 20. P. 530–548.
- Jansen R. Silicon spintronics // Nat. Mater. 2012. V. 11. P. 400–408.
- Liu W., Wong P.K.J., Xu Y. Hybrid spintronic materials: Growth, structure and properties // Prog. Mater. Sci. 2019. V. 99. P. 27–105.
- Bebenin N.G. Spin Diffusion and Oscillations of the Magnetization at High-Frequency Spin Injection // JETP Letters. 2023. V. 118(5). P. 336–338.
- Izmozherov I.M., Baikenov E.Z., Zverev V.V. Transformations of the Domain-Wall Fine Structure in the Course of Magnetization Change Processes in Co (0001) Film // Phys. Met. Metal. 2021. V. 122(3). P. 213–222.
- Fomin L.A., Malikov I.V., Berezin V.A. Magnetoresistance of Co2FeAl Films on the A-Plane of Sapphire // J. Surf. Invest.: X-Ray, Synchrotron Neutron Tech. 2022. V. 16(2). P. 448–452.
- Tarasov A.S., Rautskii M.V., Lukyanenko A.V., Volochaev M.N., Eremin E.V., Korobtsov V.V., Balashev V.V., Vikulov V.A., Solovyov L.A., Volkov N.V. Magnetic, transport, and magnetotransport properties of the textured Fe3O4 thin films reactively deposited onto SiO2/Si // J. Alloys Compd. 2016. V. 688. P. 1095–1100.
- Edelman I., Esters M., Johnson D.C., Yurkin G., Tarasov A., Rautsky M., Volochaev M., Lyashchenko S., Ivantsov R., Petrov D., Solovyov L.A. The competition between magnetocrystalline and shape anisotropy on the magnetic and magneto-transport properties of crystallographically aligned CuCr2Se4 thin films // J. Magn. Magn. Mater. 2016. V. 443. P. 107–115.
- Balashev V.V., Ermakov K.S., Samardak K.S., Ognev A.V., Samardak A.V., Komogortsev A.V., Volochaev M.N., Tarasov A.S., Korobtsov A.S. Crystal texture-dependent magnetic and magnetotransport properties of half-metallic Fe3O4 films grown on oxidized Si substrates by reactive deposition // Phys. Rep. 2020. V. 815. P. 152398.
- Marchenkov V.V., Irkhin V.Y. Half-Metallic Ferromagnets, Spin Gapless Semiconductors, and Topological Semimetals Based on Heusler Alloys: Theory and Experiment // Phys. Metals Metal. 2021. V. 122. P. 1133–1157.
- Buchelnikov V.D., Baigutlin D.R., Sokolovskiy V.V., Miroshkina O.N. The Influence of Exchange Correlation Effects on the Stabilization of the Half-Metallic Properties of Mn2VAl and Mn2VSi Alloys // Phys. Metals Metallogr. 2023. V. 124. P. 118–125.
- Samardak A.S., Kolesnikov A.G., Davydenko A.V., Steblii M.E., Ognev A.V. Topologically Nontrivial Spin Textures in Thin Magnetic Films // Phys. Metals Metallogr. 2022. V. 123. P. 238–260.
- Chaala R., Bensaid D., Doumi D., Hebri S., Bouzouira N., Azzaz Y. The Preservation of the Half-Metallicity during the Substitution of Manganese in Ba1−xMnxO Alloy // Phys. Met. Metal. 2021. V. 122. P. 1272–1278.
- Tarasov A.S., Lukyanenko A.V., Tarasov I.A., Bondarev I.A., Smolyarova T.E., Kosyrev N.N., Komarov V.A., Yakovlev I.A., Volochaev M.N., Solovyov L.A., Shemukhin A.A. Approach to form planar structures based on epitaxial Fe1−xSix films grown on Si (111) // Thin Solid Films. 2017. V. 642. P. 20–24.
- Tarasov A.S., Bondarev I.A., Rautskii M.V., Lukyanenko A.V., Tarasov I.A., Varnakov S.N., Ovchinnikov S.G., Volkov N.V. Room Temperature Spin Accumulation Effect in Boron Doped Si Created by Epitaxial Fe3Si/p-Si Schottky Contact // J. Surf. Investig. 2018. V. 12. P. 633–637.
- Tarasov A.S., Lukyanenko A.V., Bondarev I.A., Rautskii M.V., Baron F.A., Smolyarova T.E., Yakovlev I.A., Varnakov S.N., Ovchinnikov S.G., Volkov N.V. Fabrication and DC/AC Characterization of 3-Terminal Ferromagnet/Silicon Spintronics Devices // J. Semiconductors. 2018. V. 52. P. 1875–1878.
- Tarasov A.S., Lukyanenko A.V., Rautskii M.V., Bondarev I.A., Smolyakov D.A., Tarasov I.A., Yakovlev I.A., Varnakov S.N., Ovchinnikov S.G., Baron F.A. and Volkov N.V. Spin-dependent electrical hole extraction from low doped p-Si via the interface states in a Fe3Si/p-Si structure // Semicond. Sci. Technol. 2019. V. 34(3). P. 035024.
- Тарасов А.С., Лукьяненко А.В., Бондарев И.А., Яковлев И.А., Варнаков С.Н., Овчинников С.Г., Волков Н.В. Эффект спиновой аккумуляции в эпитаксиальной структуре Fe3 Si/n-Si и влияние на него электрического смещения // Письма в ЖТФ. 2020. V. 46(13). P. 43–46.
- Nikonov D.E., Young I.A. Overview of Beyond-CMOS Devices and a Uniform Methodology for Their Benchmarking // Proc. IEEE 2013. V. 101. P. 2498–2533.
- Spiesser A., Saito H., Jansen R., Yuasa S., Ando K. Large spin accumulation voltages in epitaxial Mn5Ge3 contacts on Ge without an oxide tunnel barrier // Phys. Rev. B. 2014. V. 90. P. 205–213.
- Kim Y., Kang K.H., Kim J.H., Kim E.J., Choi K., Han W.B., Kim H.S., Oh Y., Yoon C.S. Magnetocaloric refrigerant with wide operating temperature range based on Mn5−xGe3 (Co, Fe)x composite // J. Alloys Compd. 2015. V. 644. P. 464.
- Zheng T.F., Shi Y.G., Fan J.Y., Shi D.N., Tang S.L., Lv L.Y., Zhong W. Critical behavior and the universal curve for magnetocaloric effect in textured Mn5Ge3-xAlx ribbons // J. Appl. Phys. 2013. V. 113. P. 17A944.
- Zhao F.Q., Dagula W., Tegus O., Buschow K.H.J. Magnetic-entropy change in Mn5Ge3−xSix alloys // J. Alloys Compd. 2006. V. 416. P. 43–45.
- Songlin, Dagula W., Tegus O., Brück E., De Boer F.R., Buschow K.H.J. Magnetic and magnetocaloric properties of Mn5Ge3− xSbx // J. Alloys Compd. 2002. V. 377(1–2). P. 269–271.
- Spiesser A., Slipukhina I., Dau M.T., Arras E., Le Thanh V., Michez L., Pochet P., Saito H., Yuasa S., Jamet M., Derrien J. Control of magnetic properties of epitaxial Mn5Ge3Cx films induced by carbon doping // Phys. Rev. B. 2011. V. 84. P. 165–203.
- Rathi A., Verma A.K., Gahtori B., Gautam A., Pant R.P., Babu P.D., Basheed G.A. Field dependence of magnetic entropy change in Mn5Ge3 near room temperature // J. Alloys Compd. 2011. V. 876. P. 159908.
- Emelyanova S.M., Bebenin N.G., Dyakina V.P., Chistyakov V.V., Dyachkova T.V., Tyutyunnik A.P., Wang R.L., Yang C.P., Sauerzopf F., Marchenkov V.V. Magnetocaloric Effect in Ni50Mn36Sb14–xZx (Z= Al, Ge; x= 0, 2) Heusler Alloys // Phys. Met. Metallogr. 2018. V. 119. P. 121–126.
- Slonczewski, J.C. Initiation of spin-transfer torque by thermal transport from magnons // Phys. Rev. B. 2010. V. 82(5). P. 054403.
- Bauer G.E., Saitoh E., Van Wees B.J. Spin caloritronics // Nat. Mater. 2012. V. 11(5). P. 391–9.
- Naumova L.I., Bebenin N.G., Zavornitsyn R.S., Milyaev M.A., Maksimova I.K., Proglyado V.V., Ustinov V.V. Longitudinal Magnetoresistance of Ta/Dy/Ta Nanostructures // Phys. Metals Metal. 2023. V. 124. P. 1768–1775.
- Hu J., Ernst B., Tu S., Kuveždić M., Hamzić A., Tafra E., Basletić M., Zhang Y., Markou A., Felser C., Fert A. Anomalous Hall and Nernst effects in Co2TiSn and Co2Ti0.6V0.4Sn Heusler thin films // Phys. Rev. Appl. 2018. V. 10(4). P. 044037.
- Lukyanenko A.V., Tarasov A.S., Shanidze L.V., Volochaev M.N., Zelenov F.V., Yakovlev I.A., Bondarev I.A., Volkov N.V. Technique for Fabricating Ferromagnetic/Silicon Active Devices and Their Transport Properties // J. Surf. Investig. 2021. V. 15. P. 65–69.
- Tarasov A.S., Tarasov I.A., Yakovlev I.A., Rautskii M.V., Bondarev I.A., Lukyanenko A.V., Platunov M.S., Volochaev M.N., Efimov D.D., Goikhman A.Y., Belyaev B.A. Asymmetric Interfaces in Epitaxial Off-Stoichiometric Fe3+xSi1−x/Ge/Fe3+xSi1−x Hybrid Structures: Effect on Magnetic and Electric Transport Properties // Nanomaterials. 2021. V. 12(1). P. 131.
- Naumova L.I., Zavornitsyn R.S., Milyaev M.A., Devyaterikov D.I., Rusalina A.S., Krinitsyna T.P., Pavlova A.Y., Proglyado V.V., Ustinov V.V. Helimagnetic and Crystallographic Growth Textures of Dysprosium Nanolayers on Co90Fe10, Nb, and β-Ta Buffer Layers // Phys. Metals Metal. 2023. V. 124. P. 763–773.
- Tarasov A.S., Lukyanenko A.V., Yakovlev I.A., Tarasov I.A., Bondarev I.A., Sukhachev A.L., Shanidze L.V., Smolyakov D.A., Varnakov S.N., Ovchinnikov S.G., Volkov N.V. Ferromagnetic Silicides and Germanides Epitaxial Films and Multilayered Hybrid Structures: Synthesis, Magnetic and Transport Properties // Bull. Russ. Acad. Sci.: Phys. 2023. V. 87(Suppl 1). P. S133–S146.
- Dung D.D., Odkhuu D., Le Vinh T., Cheol Hong S., Cho S. Strain-induced modification in the magnetic properties of Mn5Ge3 thin films // J. Appl. Phys. 2013. V. 114. P. 073906.
- de Oliveira R.C., Demaille D., Casaretto N., Zheng Y.J., Marangolo M., Mosca D.H., Varalda J. Magnetic and structural properties of Mn5+xGe3+y thin films as a function of substrate orientation // J. Appl. Phys. 2021. V. 539. P. 168325.
- Yasasun B.T., Onel A.C., Aykac I.G., Gulgun M.A., Arslan L.C. Effect of Ge layer thickness on the formation of Mn5Ge3 thin film on Ge/Si(111) // J. Magn. Magn. Mater. 2018. V. 473. P. 348–354.
- Petit M., Michez L., Dutoit C.E., Bertaina S., Dolocan V.O., Heresanu V., Stoffel M., Le Thanh V. Very low-temperature epitaxial growth of Mn5Ge3 and Mn5Ge3C0.2 films on Ge (111) using molecular beam epitaxy // Thin Solid Films. 2018. V. 589. P. 427–432.
- Spiesser A., Le Thanh V., Bertaina S., Michez L.A. Thermal stability of epitaxial Mn5Ge3 and carbon-doped Mn5Ge3 films // Appl. Phys. Lett. V. 2011. 99(12). P. 427–432.
- Olive-Mendez S., Spiesser A., Michez L.A., Le Thanh V., Glachant A., Derrien J., Devillers T., Barski A., Jamet M. Epitaxial growth of Mn5Ge3/Ge (111) heterostructures for spin injection // Thin Solid Films. 2011. V. 517(1). P. 191–196.
- Spiesser A., Olive-Mendez S.F., Dau M.T., Michez L.A., Watanabe A., Le Thanh V., Glachant A., Derrien J., Barski A., Jamet M. Effect of thickness on structural and magnetic properties of Mn5Ge3 films grown on Ge (111) by solid phase epitaxy // Thin Solid Films. 2010. V. 518(6). P. S113–S117.
- Bechler S., Kern M., Funk H.S., Colston G., Fischer I.A., Weißhaupt D., Myronov M., van Slageren J., Schulze J. Formation of Mn5Ge3 by thermal annealing of evaporated Mn on doped Ge on Si (111) // Semicond. Sci. Technol. 2018. V. 33(9). P. 095008.
- Yakovlev I., Tarasov I., Lukyanenko A., Rautskii M., Solovyov L., Sukhachev A., Volochaev M., Efimov D., Goikhman A., Bondarev I., Varnakov S. Sublayer-Enhanced Growth of Highly Ordered Mn5Ge3 Thin Film on Si(111) // Nanomaterials. 2022. V. 12. P. 4365.
- Tarasov A.S., Komogortsev S.V., Lukyanenko A.V., Yakovlev I.A., Tarasov I.A., Sukhachev A.L., Rautskii M.V., Solovyov L.A., Andryushchenko T.A., Bondarev I.A., Varnakov S.N. Structure, magnetic and magnetocaloric properties of the Mn5Ge3 thin film grown on Si(111) // J. Mater. Sci. 2024. P. 1–14.
- Sürgers C., Fischer G., Winkel P., Löhneysen H.V. Magnetotransport in ferromagnetic Mn5Ge3, Mn5Ge3C0.8, and Mn5Si3C0.8 thin films // Phys. Rev. B. 2014. V. 90(10). P. 104421.
- Volkov N.V., Tarasov A.S., Eremin E.V., Varnakov S.N., Ovchinnikov S.G., Zharkov S.M. Magnetic-field- and bias-sensitive conductivity of a hybrid Fe/SiO2/ p-Si structure in planar geometry // J. Appl. Phys. 2011. V. 109(12).
- Vikulov V.A., Dimitriev A.A., Balashev V.V., Pisarenko T.A., Korobtsov V.V. Low-temperature conducting channel switching in hybrid Fe3O4/SiO2/n-Si structures // Mater. Sci. Eng. B. 2016. V. 211. P. 33–36.
- Volkov N.V., Tarasov A.S., Rautskii M.V., Lukyanenko A.V., Bondarev I.A., Varnakov S.N., Ovchinnikov S.G. Magneto-transport phenomena in metal/SiO2/n(p)-Si hybrid structures // Magn. Magn. Mater. 2018. V. 451. P. 143–158.
- Slipukhina I., Arras E., Mavropoulos P., Pochet P. Simulation of the enhanced Curie temperature in Mn5Ge3Cx compounds // Appl. Phys. Lett. 2009. V. 94(19). P. 192505.
- Forsyth J.B., Brown P.J. The spatial distribution of magnetisation density in Mn5Ge3 // J. Condens. Matter Phys. 1990. V. 2(11). P. 2713.
- Yokouchi T., Kanazawa N., Tsukazaki A., Kozuka Y., Kikkawa A., Taguchi Y., Kawasaki M., Ichikawa M., Kagawa F., Tokura Y. Formation of in-plane skyrmions in epitaxial MnSi thin films as revealed by planar hall effect // J. Phys. Soc. Jpn. 2015. V. 84(10). P. 104708.
- Kappel G., Fischer G., Jaegle A. On the saturation magnetization of Mn5Ge3 // Phys. Lett. A. 1973. V. 45. P. 267–268.
- Spiesser A., Virot F., Michez L.A., Hayn R., Bertaina S., Favre L., Petit M., Le Thanh V. Magnetic anisotropy in epitaxial Mn5Ge3 films // Phys. Rev. B. 2012. V. 86. P. 035211.
- Solovev P.N., Izotov A.V., Belyaev B.A., Boev N.M. Magnetic anisotropy in epitaxial Mn5Ge3 films // Phys. Rev. B. 2021. V. 604. P. 412699.
- Komogortsev S.V., Vazhenina I.G., Kleshnina S.A., Iskhakov R.S., Lepalovskij V.N., Pasynkova A.A., Svalov A.V. Advanced characterization of feni-based films for the development of magnetic field sensors with tailored functional parameters // Sensors. 2022. V. 22(9). P. 3324.
- Svalov A.V., Aseguinolaza I.R., Garcia-Arribas A., Orue I., Barandiaran J.M., Alonso J., Fernández-Gubieda M.L., Kurlyandskaya G.V. Structure and magnetic properties of thin permalloy films near the “transcritical” state // IEEE Trans. Magn. 2010. V. 46. P. 333–336.
- Kuz’Min M.D., Skokov K.P., Diop L.V.B., Radulov I.A., Gutfleisch O. Exchange stiffness of ferromagnets // Eur. Phys. J. Plus. 2020. V. 135(3). P. 1–8.
- Maraytta N., Voigt J., Salazar Mejía C., Friese K., Skourski Y., Perßon J., Salman S.M., Brückel T. Anisotropy of the magnetocaloric effect: Example of Mn5Ge3 // J. Appl. Phys. 2020. V. 128(10). P. 103903.
- Ba D.N., Becerra L., Casaretto N., Duvauchelle J.E., Marangolo M., Ahmim S., Almanza M., Lobue M. Magnetocaloric Gadolinium thick films for energy harvesting applications // AIP Adv. 2020. V. 10(3). P. 035110.
- El Hadri M.S., Polewczyk V., Xiao Y., Mangin S., Fullerton E. Large anisotropic magnetocaloric effect in all-sputtered epitaxial terbium thin films // Phys. Rev. Mater. 2020. V. 4(12). P.124404.
Дополнительные файлы
