기존 스퍼터링에 의해 사파이어에서 성장한 MnSi 박막의 스커미온 상

결과 및 토론

MnSi 박막의 성장은 다양한 방법으로 이전 보고서에서 잘 설명되었습니다[2, 9, 2,9,21,22,23,24,25]. 그러나 MnSi를 성장시키기 위한 대부분의 기술은 초고진공 환경의 특정 설비를 필요로 하는 반면, 상대적으로 낮은 기저 압력을 갖는 기존의 마그네트론 스퍼터링의 개발은 아직 도입되지 않았습니다. Si(001) 기판과 입방체 MnSi 구조 사이의 격자 불일치가 약 19%로 추정되기 때문에 Si(001) 기판에서 MnSi 필름의 최적 성장 조건을 테스트했습니다. Mn과 Si 타겟을 이용한 co-sputtering 방법을 사용하였으며 RF power, growth temperature, annealing 처리와 같은 성장 조건을 미세하게 조절하여 MnSi 박막을 성장시켰다(Additional file 1:Table S1). 아구프 외. As-deposited MnSi 필름은 어닐링 처리에 의해 결정화되지 않는 한 비정질이라고 보고했습니다[23]. 실제로, 우리는 초기에 증착된 비정질 MnSi가 어닐링 처리 후에 결정화된 MnSi 상으로 바뀌는 것을 발견했습니다(추가 파일 1:그림 S1). 그러나 Si(001) 기질을 사용한 대부분의 결과는 MnSi와 Mn₅의 혼합상이 시₃ XRD 측정으로 관찰되었습니다. 이러한 이유로 Si(001) 기판은 Al₂로 대체되었습니다. O₃ 낮은 격자 불일치(~ 4.2%)가 있는 기판.

그림 1은 Si(검정색 실선) 및 Al₂에서 성장한 MnSi 필름의 XRD 패턴을 보여줍니다. O₃ (파란색 및 빨간색 실선) 기판, 여기서 MnSi 필름은 Si(001) 및 Al₂ O₃ #1은 동일한 성장 조건(Mn의 경우 15W 전력, Si의 경우 100W 전력, 590°C 어닐링 처리)에서 증착되었습니다. 스침 입사 X선 회절 기술이 사용되었기 때문에 기판 피크가 모든 샘플에 대해 표시되지 않았음을 유의하십시오. 그림의 별표는 Mn₅를 나타냅니다. 시₃ (ICSD 카드 번호 04–003-4114) 단계. Si(001) 위의 MnSi 필름의 경우 MnSi 피크가 주로 관찰되었습니다. 또한 Mn₅와 일치하는 5개의 피크 시₃ 상 및 몇 가지 알려지지 않은 불순물 피크가 검출되었습니다. 그러나 우리는 Mn₅ 시₃ 위상이 억제되고 Al₂의 MnSi에 대해 알려지지 않은 피크가 사라졌습니다. O₃ #1. 또한 Al₂ 상의 MnSi O₃ Mn power 및 annealing 온도가 각각 10W 및 550°C로 감소한 #2 샘플은 MnSi(ICSD 카드 번호 04–004-7568) 피크만 나타냈습니다.

Si [(001), 검은색 실선] 및 Al₂ 상의 MnSi 필름의 XRD 패턴 O₃ (파란색과 빨간색 실선) 기판. 모든 피크는 녹색 점선으로 표시된 입방체 B20형 MnSi 상에 인덱싱됩니다. 검은색과 파란색 실선의 별표는 Mn₅에서 피크를 나타냅니다. 시₃ 단계

Al₂에서 성장한 MnSi O₃ #2는 다소 결함이 있는 표면을 보였으며, 그림 2a의 SEM 이미지와 그림 2b의 AFM 지형 이미지에서 볼 수 있듯이 매우 균일하고 낮은 요철 표면이 관찰되었습니다. AFM 이미지의 15 × 15 μm 스케일에서 RMS(Root-mean-squared) 거칠기가 1nm 미만으로 측정되었습니다. 상세한 구조 및 화학 조성을 특성화하기 위해 Al₂에서 성장한 MnSi의 단면 TEM 분석 O₃ # 2를 수행했습니다. 그림 2c는 Al₂ 위의 MnSi의 대표적인 단면 TEM 이미지를 보여줍니다. O₃ 계면 영역에서 #2. 적층 결함이나 심각한 결함은 관찰되지 않았습니다. MnSi 필름이 상대적으로 낮은 진공 챔버에서 기존의 스퍼터링에 의해 성장될 때 MnSi가 격자 불일치 및 화학적 결합과 같은 구조적 매개변수를 고려하여 기판 표면의 바람직한 방향으로 에피택셜하게 성장하기를 기대하기 어렵습니다. Al₂에서 성장한 MnSi 필름 O₃ XRD 패턴(그림 1)과 TEM 이미지의 고속 푸리에 변환(FFT)으로 확인되는 바와 같이 다결정 특성을 가지고 있습니다[그림 2c 삽입]. 성장한 MnSi 필름의 화학적 조성을 조사했습니다. 그림 2d의 TEM-EDS 매핑에서 볼 수 있듯이 Mn과 Si 원소의 존재는 여러 다른 영역에서 감지되었으며 Mn/Si =1:1.1의 원자 비율이 추정되었습니다. 우리는 성장 시간을 제어하여 MnSi 필름의 성장 속도를 테스트했습니다. as-grown MnSi 필름의 두께는 성장 시간에 대해 선형 거동을 나타냈습니다(추가 파일 1:그림 S2).

Al₂에서 성장된 MnSi 필름의 형태 및 구조적 특성 O₃ 기질. 아 성장한 MnSi 필름의 SEM 이미지. ㄴ a에 해당하는 AFM 지형 이미지 . RMS 거칠기는 1nm 미만으로 추정됩니다. ㄷ 사파이어에서 성장한 MnSi 필름의 대표적인 HR-TEM 이미지. 삽입:HR-TEM 이미지에서 MnSi의 선택된 영역에서 FFT. d 단면 MnSi 필름의 EDS의 원소 매핑

그림 3a는 Al₂에 대한 MnSi의 자화 온도 의존성을 보여줍니다. O₃ (두께 25nm) 1kOe의 면외 자기장에서 측정되었습니다. 자화는 25K 이상의 온도에서 크게 감소하여 강자성 전이 온도(T _C ), 벌크 MnSi와 유사[26, 27]. 온도에 따른 저항률은 T 이상의 금속 거동을 나타냄 _C , 그림 3b와 같이. T 아래 _C , 저항률은 T로 감소하는 경향이 있었습니다. ² 헬리마그네틱 상의 스핀 변동에 대한 전하 캐리어의 결합으로 인해 온도가 감소함에 따라 의존성이 감소합니다[28]. 그림 3b의 삽입에서 볼 수 있듯이 저항 대 온도의 미분은 T를 강조 표시했습니다. _C 약 25K의 MnSi 필름. 표면의 다결정 및 결함으로 인해 낮은 잔류 저항비, 즉 [ρ (300K)/ρ (5 K)] ~ 1.7.

아 1kOe의 외부 자기장에서 25nm 두께의 MnSi 필름에 대한 온도 함수로서의 자기장 냉각 자화 ㄴ 온도의 함수로서의 제로 필드 종방향 저항. 삽입:자기 전이의 이상을 강조하는 온도의 함수로 저항의 미분. ㄷ 2, 25, 50K에서 수직 자기 저항. 명확성을 위해 임의 오프셋이 추가되고 50K에서 측정된 자기 저항이 10배 확대됩니다.

그림 3c는 2K, 25K, 50K의 서로 다른 온도에서 필름 평면에 수직인 자기장에 대한 자기 저항을 보여줍니다. 위에서 논의한 바와 같이 성장한 MnSi 필름은 다결정 성질을 가졌기 때문에 자기 위상 전이 자기 저항이 명확하게 관찰되지 않았습니다. 그러나 낮은 자기장에서 자기저항의 온도 의존성은 구별되는 특징을 보였다. 온도가 증가함에 따라 0 자기장 근처에서 자기 저항의 모양이 평평한(2 K)에서 뾰족한(25 K) 피크와 넓은(50 K) 피크로 바뀌었습니다.

스핀 키랄성 구동 홀 효과와 관련하여 THE는 강한 스핀-궤도 결합과 비중심대칭 B20 결정 구조에서 발생하는 DMI에 의해 유도될 수 있으며[29], 이는 스커미온 상의 존재의 특징으로 간주됩니다. THE와 관련된 비정상적인 저항을 관찰하기 위해 홀 저항 측정을 수행했습니다. 총 홀 저항은 다음 세 가지 구성 요소의 조합으로 표현될 수 있습니다.

여기서 ρ _보통 , ρ _아 , 및 ρ _그 각각 정상, 비정상 및 토폴로지 홀 저항입니다. R ₀ 는 일반 홀 계수이며 α , β , 및 b 는 스큐 산란, 사이드 점프 및 비정상적인 홀 저항에 대한 고유 기여에 해당하는 상수입니다. 또한 n _Skx 상대 스커미온 밀도, P 전도 전자의 분극, R _TH 위상 홀 계수, B _에프 는 실제 공간 Berry 위상에서 파생된 유효 자기장입니다[20, 30]. 위상 홀 기여도는 측정된 총 홀 저항에서 정상 및 비정상 홀 저항 항을 빼서 추출할 수 있습니다.

그림 4a는 일반(녹색 선) 및 비정상(빨간색 곡선) 홀 저항을 포함하여 10K에서 THE 신호를 파란색 곡선으로 추출하기 위한 디컨볼루션된 홀 데이터를 보여줍니다. ρ의 양의 기울기에 유의하십시오. _보통 p를 나타냅니다. -유형 다수 캐리어 및 ρ _아 벌크 MnSi[31], 박막[9], 나노와이어[20]와 일치하는 음수입니다. ρ _보통 높은 자기장에서의 선형 맞춤에서 얻어지며 ρ _아 자화 데이터에서 직접 가져옵니다. ρ _그 온도에 따라 그림 4b에 표시됩니다. 흥미롭게도 ρ 기호는 _그 자기 전이가 예상되는 25K의 경계에서 뒤집혔습니다. ρ 기호 _그 전하 캐리어의 스핀 분극에 매우 민감합니다. MnSi의 밴드 구조에서 d 밴드는 페르미 준위 근처의 상태 밀도에 영향을 미치고 s의 순회 전자는 밴드는 밴드 구조 [31]에 미미하게 기여하여 스핀 분극을 섬세하게 허용합니다. 또한, 스핀 분극은 온도에 따른 인장 변형률 및 결정 순도와 같은 외부 요인에 의해 변화될 수 있기 때문에[9], ρ _그 우리의 다결정 MnSi 샘플에서 합리적입니다. 그림 4c는 ρ의 등고선 매핑을 나타냅니다. _그 자기장과 온도의 함수로. 벌크 MnSi의 스커미온 위상은 자기 전이 온도에 가까운 좁은 온도 범위에서 관찰되었지만 0이 아닌 ρ _그 기호에 관계없이 2~40K에서 수집되었습니다. ρ의 절대값 _그 MBE(10nΩcm)[9], 벌크(4.5nΩcm)[32], 나노와이어(15nΩcm)로 성장한 박막보다 10K 및 4kOe에서 최대 36nΩcm[ 20] 그러나 초고진공 챔버에서 축외 마그네트론 스퍼터링으로 성장한 박막과 유사합니다[25].

아 10K의 대표적인 홀 저항 곡선. THE 신호(파란색 곡선)는 측정된 총 홀 저항(검은색 곡선)에서 정상(녹색 선) 및 비정상 홀 신호(빨간색 곡선)를 빼서 추출됩니다. ㄴ 텍스트에 자세히 설명된 동일한 절차를 사용하여 추출한 다양한 온도에서의 토폴로지 홀 저항. ㄷ 자기장과 온도의 함수로서 THE 신호의 윤곽 매핑은 온도 사이의 토폴로지 홀 저항을 보간하여 구성합니다. d 위상 홀 저항이 0이 아닌 온도 아래에서 제곱 세로 자기 저항의 함수로서의 비정상적인 홀 저항

ρ _아 스큐 산란, 측면 점프 및 고유 기여의 세 가지 구성 요소로 구성됩니다. 변칙적인 홀 기여도의 규모 조정에서 의미하는 바는 ρ _아 는 운동량-공간 베리 위상과 관련된 고유 기여 \(\rho_{xx}^{2}\)에 비례합니다[33]. 그림 4d에서 ρ _아 20 kOe에서 \(\rho_{xx}^{2}\)에 대해 선형 의존성에서 명백한 편차를 보여줍니다. 스케일링의 분석은 변칙적인 홀 효과가 우리의 다결정 MnSi 샘플의 불순물 및 결함으로 인한 외부 스큐 산란 및 측면 점프 기여와 관련이 있으며 더 넓은 범위의 온도 및 자기장에서 스커미온 위상의 안정화를 유지함을 시사합니다.