위상학적으로 보호되는 카이랄 스커미온은 기초 연구와 미래 스핀트로닉스 응용 때문에 많은 주목을 받아온 흥미로운 스핀 텍스처입니다. 비중심 대칭 구조를 가진 MnSi는 스커미온 상을 호스팅하는 잘 알려진 물질입니다. 지금까지 MnSi 결정 제조는 초고진공 챔버를 갖춘 특수 장비를 사용하여 조사되어 왔습니다. 여기서는 통상 마그네트론 스퍼터링의 상대적으로 낮은 진공 환경인 1.0 × 10–6 Torr에서 사파이어 기판 상에 MnSi 박막을 성장시키는 쉬운 방법을 소개합니다. 성장된 MnSi 박막은 다결정성을 띠지만, 홀 저항률 기여의 현상학적 스케일링 분석을 포함한 자기수송 특성을 통해 넓은 온도 및 자기장 범위에서 안정한 스커미온 상이 관측됩니다. 우리의 발견은 스커미온 상을 갖는 물질을 제조하는 일반적인 방법을 제공할 뿐만 아니라, 더 많은 자유도를 자극하기 위한 추가 연구에 통찰력을 제공합니다.
위상학적으로 보호되는 카이랄 스커미온은 자기 스핀이 디잘로신스키-모리야 상호작용(DMI)에 의해 안정화되어 구를 둘러싸며 비공선적으로 정렬된 소용돌이 같은 비자명한 소용돌이 스핀 텍스처를 가집니다[1]. 큰 DMI는 일반적으로 깨진 역전 대칭으로 인해 비중심 대칭 강자성체에서 유도됩니다[2]. 이 복잡한 스핀 텍스처는 기초 연구와 미래 기술의 가능한 응용 모두에 흥미로운 물리적 특성 때문에 큰 관심을 끌었습니다[3, 4]. 자기 영역벽과 비교하여 스커미온 영역은 현저히 낮은 전류 밀도에서 안정적인 전류 구동 운동을 나타내어 저전력 소모 스핀트로닉스 소자를 가능하게 합니다[5].
비중심 대칭 B20 상을 가진 MnSi는 전형적인 나선자성 물질로, 수십 년 동안 이론적으로나 실험적으로 연구되어 온 스커미온 격자를 호스팅합니다[6,7,8,9,10]. MnSi의 스커미온 격자에서 스핀 전달 토크(STT)가 관찰되어 스핀 분극 전류 주입에 대한 추가 조사가 이루어졌습니다[5]. 특히 MnSi의 스커미온 크기는 ~18 nm 범위로, 스커미온 스핀 텍스처를 가진 잘 알려진 그룹 중 작은 편에 속합니다[11]. STT는 스커미온 크기 감소에 따라 유의미하게 증가하는 경향이 있습니다[12, 13]. 물질 파라미터가 스커미온 크기에 영향을 미치지만, DMI와 강자성 교환 상호작용이 주로 스커미온 크기를 결정합니다[14]. 이 점에서 MnSi는 응용 물리학의 좋은 후보 물질로 전망이 뛰어납니다.
명백한 스커미온을 확인하기 위해 로렌츠 투과전자현미경, 자기 투과 연질 X선 현미경, 자기력 현미경, 소각 중성자 산란 등 다양한 측정 도구가 사용되었습니다[15,16,17,18]. 이러한 현미경 도구들은 실공간에서 스커미온 격자를 직접 식별할 수 있지만, 특수 장비의 고진공 챔버에서 성장된 고품질 단결정 또는 에피택셜 박막이 필요합니다. 스커미온 존재를 밝히는 또 다른 방법은 자기수송 특성과 위상 홀 효과(THE)를 측정하는 것입니다[9, 19,20,21]. 스커미온은 위상학적 객체로 위상학적 위상이 불순물이나 결정성에 덜 민감하므로 다결정 시료에서도 관측될 수 있습니다[22].
여기서는 통상 스퍼터링으로 성장시킨 다결정 MnSi의 자기수송 특성을 보고합니다. X선 회절(XRD)과 투과전자현미경(TEM)을 사용하여 MnSi 결정의 단일 상과 결정성을 확인했습니다. 자기화와 저항의 온도 의존성 곡선 측정으로 약 25 K에서의 자기 전이를 밝혔으며, 자기저항 데이터도 전이 온도 경계에서 구별되는 형태를 보였습니다. 측정된 홀 저항에서 THE 신호를 성공적으로 추출하고, 온도와 자기장의 함수로 위상 홀 저항률의 등고선 매핑을 그렸습니다. 또한, MnSi 박막에서 비정상 홀 저항률 기여 분석은 다결정 MnSi 시료의 불순물과 결함에도 불구하고 더 넓은 온도와 자기장 범위에서 스커미온 상의 안정화를 시사했습니다. 우리의 발견은 스커미온이 통상적이고 저렴한 장비로 성장시킨 다결정 MnSi 박막에서도 관측될 수 있음을 보여주며, 스커미온 격자를 갖는 유사 물질에 대한 추가 조사를 자극할 수 있습니다.
MnSi 박막은 직류(DC)/고주파(RF) 마그네트론 스퍼터링으로 Si (001) 및 c-컷 사파이어(Al2O3) 기판 상에 증착했으며, 베이스 압력은 1.0 × 10–6 Torr였습니다. MnSi 박막은 10 mTorr Ar 압력 하에서 실온에서 Mn과 Si 타겟을 공동 스퍼터링하여 5분간 성장시켰습니다. Mn 타겟용 DC 전력은 10~20 W, Si 타겟용 RF 전력은 100 W였습니다. MnSi 증착 후, 550~590°C 온도 범위에서 2시간 동안 제자리 어닐링 처리를 유도하여 성장된 MnSi를 결정화했습니다. 시료의 결정 상과 구조는 60 kV에서 Mo와 Ag X선 소스를 사용하는 XRD로 조사했습니다. 시료의 형태적 특성화와 화학 조성은 주사전자현미경(SEM), 원자력 현미경(AFM), 에너지 분산 분광법(EDS)을 장착한 고해상도 투과전자현미경(HR-TEM)으로 분석했습니다. 자기적 및 전기적 특성은 초전도 양자 간섭 장치-진동 시료 자력계(SQUID-VSM)를 사용하여 측정했으며, 자기장과 온도는 각각 최대 50 kOe까지 쓸어올리고 최저 2 K까지 내렸습니다.
MnSi 박막 성장은 다양한 방법으로 이전 보고서들에서 잘 기술되어 있습니다[2, 9, 2,9,21,22,23,24,25]. 그러나 대부분의 MnSi 성장 기술은 초고진공 환경을 갖춘 특수 시설을 요구하는 반면, 상대적으로 낮은 베이스 압력을 가진 통상 마그네트론 스퍼터링 개발은 아직 소개되지 않았습니다. Si (001) 기판과 입방 MnSi 구조 간의 격자 불일치가 약 19%로 추정되므로, Si (001) 기판 상 MnSi 박막의 최적 성장 조건을 테스트했습니다. Mn과 Si 타겟을 이용한 공동 스퍼터링 방법을 사용했으며, RF 전력, 성장 온도, 어닐링 처리 등 성장 조건을 세밀하게 제어하여 MnSi 박막을 성장시켰습니다(추가 파일 1: Table S1). Aguf 등은 증착된 MnSi 박막이 어닐링 처리 없이는 비정질 상태라고 보고했습니다[23]. 실제로 우리는 초기에 증착된 비정질 MnSi가 어닐링 처리 후 결정화된 MnSi 상으로 변환됨을 발견했습니다(추가 파일 1: Fig. S1). 그러나 Si (001) 기판 사용 시 대부분 MnSi와 Mn5Si3의 혼합 상이 XRD 측정으로 관측되었습니다. 이 이유로 Si (001) 기판을 격자 불일치가 낮은(~4.2%) Al2O3 기판으로 대체했습니다.
그림 1은 Si(검은 실선)와 Al2O3(파란색과 빨간색 실선) 기판 상 MnSi 박막의 XRD 패턴을 보여줍니다. Si (001) 상 MnSi와 Al2O3 #1 상 MnSi는 동일한 성장 조건(Mn 15 W, Si 100 W, 590°C 어닐링)으로 증착되었습니다. 모든 시료에 대해 기판 피크는 표시되지 않았는데, 이는 글레이징 입사 X선 회절 기법을 사용했기 때문입니다. 그림의 별표는 Mn5Si3(ICSD 카드 no. 04–003-4114) 상을 나타냅니다. Si (001) 상 MnSi의 경우 MnSi 피크가 주로 관측되었으나, 추가로 Mn5Si3 상과 일치하는 5개 피크와 여러 미지의 불순물 피크가 검출되었습니다. 그러나 Al2O3 #1 상 MnSi에서는 Mn5Si3 상 관련 피크가 억제되고 미지 피크가 사라짐을 발견했습니다. 게다가, Mn 전력과 어닐링 온도를 각각 10 W와 550°C로 낮춘 Al2O3 #2 시료에서는 MnSi(ICSD 카드 no. 04–004-7568) 피크만 나타났습니다.
Al2O3 #2 상 성장된 MnSi는 다소 결함이 있는 표면을 보였으나, 그림 2a의 SEM 이미지와 그림 2b의 AFM 위상 이미지에서 볼 수 있듯이 고도로 균일하고 낮은 요철 표면이 관측되었습니다. AFM 이미지의 15 × 15 μm 스케일에서 제곱평균제곱근(RMS) 거칠기는 1 nm 미만으로 측정되었습니다. 상세 구조와 화학 조성을 특성화하기 위해 Al2O3 #2 상 성장된 MnSi의 단면 TEM 분석을 수행했습니다. 그림 2c는 Al2O3 #2 상 MnSi의 계면 영역에서 대표적인 단면 TEM 이미지를 보여줍니다. 적층 결함이나 유의미한 결함은 관측되지 않았습니다. MnSi 박막이 상대적으로 낮은 진공 챔버의 통상 스퍼터링으로 성장할 때, 격자 불일치와 화학 결합 같은 구조적 파라미터를 고려하면 MnSi가 기판 표면의 선호 방향으로 에피택셜하게 성장하리라 기대하기 어렵습니다. Al2O3 상 성장된 우리 MnSi 박막은 XRD 패턴(그림 1)과 TEM 이미지의 고속 푸리에 변환(FFT)[그림 2c 인셋]으로 확인된 바와 같이 다결정성을 띱니다. 성장된 MnSi 박막의 화학 조성을 조사했습니다. 그림 2d의 TEM-EDS 매핑에서 여러 다른 영역에서 Mn과 Si 원소만 검출되었으며, Mn/Si 원자비는 1:1.1로 추정되었습니다. 성장 시간을 제어하여 MnSi 박막 성장 속도를 테스트했습니다. 성장된 MnSi 박막 두께는 성장 시간에 대해 선형 거동을 보였습니다(추가 파일 1: Fig. S2).
그림 3a는 1 kOe 수직 자기장에서 측정된 25 nm 두께 MnSi/Al2O3의 온도 의존적 자기화를 보여줍니다. 자기화는 25 K 이상에서 급격히 감소하여 벌크 MnSi[26, 27]와 유사한 강자성 전이 온도(TC)를 나타냅니다. 온도에 따른 저항률은 TC 이상에서 금속적 거동을 보였습니다(그림 3b). TC 이하에서는 나선자성 상에서 전하 캐리어와 스핀 요동 결합으로 인해 저항률이 온도 감소에 따라 T2 의존성으로 감소하는 경향을 보였습니다[28]. 그림 3b 인셋에서 볼 수 있듯이, 저항률의 온도 미분은 MnSi 박막의 TC를 약 25 K에서 강조합니다. 다결정과 표면 결함으로 인해 낮은 잔류 저항비, 즉 [ρ(300 K)/ρ(5 K)] ~ 1.7을 보입니다.
그림 3c는 박막 평면에 수직한 자기장에서 2 K, 25 K, 50 K의 다른 온도에서 자기저항을 보여줍니다. 위에서 논의한 바와 같이 성장된 MnSi 박막이 다결정성을 띠므로 자기저항에서 자기 상 전이가 명확히 관측되지 않았습니다. 그러나 낮은 자기장에서 자기저항의 온도 의존성은 영 자기장 부근에서 형태가 평탄(2 K)에서 날카로움(25 K), 넓음(50 K) 피크로 변하는 구별되는 특징을 보였습니다.
스핀 카이랄리티 구동 홀 효과에 관해, THE는 강한 스핀-궤도 결합과 비중심 대칭 B20 결정 구조에서 발생하는 DMI에 의해 유도될 수 있습니다[29], 이는 스커미온 상 존재의 특징으로 간주됩니다. 우리는 비정상 저항률을 관측하기 위해 홀 저항률 측정을 수행했습니다. 총 홀 저항률은 세 성분의 조합으로 표현될 수 있습니다:
$$\begin{aligned} \rho_{{{\text{Hall}}}} & = \rho_{{{\text{normal}}}} + \rho_{{{\text{AHE}}}} + \rho_{{{\text{THE}}}} \\ & = R_{0} H + \left( {\alpha \rho_{xx0} + \beta \rho_{xx0}^{2} + b\rho_{xx}^{2} } \right)M + n_{{{\text{Skx}}}} PR_{{{\text{TH}}}} B_{{{\text{eff}}}} , \\ \end{aligned}$$
여기서 ρnormal, ρAHE, ρTHE는 각각 정상, 비정상, 위상 홀 저항률입니다. R0은 정상 홀 계수이고, α, β, b는 비정상 홀 저항률에 대한 비대칭 산란, 사이드 점프, 고유 기여에 해당하는 상수들입니다. 또한, nSkx는 상대적 스커미온 밀도, P는 전도 전자의 분극, RTH는 위상 홀 계수, Beff는 실공간 베리 위상에서 유도된 유효 자기장입니다[20, 30]. 위상 홀 기여는 측정된 총 홀 저항률에서 정상과 비정상 홀 저항률 항을 빼서 추출할 수 있습니다.
그림 4a는 10 K에서 THE 신호를 추출하기 위한 디컨볼루션된 홀 데이터를 보여줍니다. 파란 곡선은 THE 신호, 녹색 선은 정상 홀 저항률, 빨간 곡선은 비정상 홀 저항률입니다. ρnormal의 양의 기울기는 p-형 다수 캐리어를 나타내며, ρAHE는 음수로 벌크 MnSi[31], 박막[9], 나노와이어[20]와 일치합니다. ρnormal은 고자기장에서 선형 피팅으로 얻으며, ρAHE는 자기화 데이터에서 직접 취합니다. 온도에 따른 ρTHE는 그림 4b에 표시되어 있습니다. 흥미롭게도, 자기 전이가 예상된 25 K 경계에서 ρTHE의 부호가 반전되었습니다. ρTHE의 부호는 전하 캐리어의 스핀 분극에 매우 민감합니다. MnSi의 밴드 구조에서 d 대역의 국소화된 전자는 페르미 준위 근처 상태 밀도에 영향을 미치는 반면, s 대역의 비편재 전자는 밴드 구조에 미약하게 기여합니다[31], 이로 인해 스핀 분극이 섬세해질 수 있습니다. 또한, 스핀 분극은 인장 응력과 온도에 따른 결정 순도 같은 외부 요인에 의해 변할 수 있습니다[9], 따라서 우리 다결정 MnSi 시료에서 ρTHE 부호 반전은 합리적입니다. 그림 4c는 자기장과 온도 함수로 ρTHE의 등고선 매핑을 보여줍니다. 벌크 MnSi에서 스커미온 상이 자기 전이 온도 근처의 좁은 온도 범위에서 관측된 반면, 부호에 관계없이 2~40 K에서 0이 아닌 ρTHE를 수집했습니다. ρTHE의 절댓값은 10 K와 4 kOe에서 최대 36 nΩ cm로, MBE 성장 박막(10 nΩ cm)[9], 벌크(4.5 nΩ cm)[32], 나노와이어(15 nΩ cm)[20]보다 크지만, 초고진공 챔버를 가진 오프축 마그네트론 스퍼터링으로 성장시킨 박막[25]과 유사했습니다.
ρAHE는 비대칭 산란, 사이드 점프, 고유 기여의 세 성분으로 구성됩니다. 비정상 홀 기여 스케일링의 함의는 ρAHE가 운동량 공간 베리 위상과 관련된 고유 기여 \(\rho_{xx}^{2}\)에 비례한다는 것입니다[33]. 그림 4d에서 20 kOe에서 ρAHE를 \(\rho_{xx}^{2}\)에 대해 플로팅하면 선형 의존성에서 명백한 편차가 보입니다. 스케일링 붕괴는 비정상 홀 효과가 우리 다결정 MnSi 시료의 불순물과 결함에 의한 외재적 비대칭 산란과 사이드 점프 기여와 관련됨을 시사하며, 더 넓은 온도와 자기장 범위에서 스커미온 상 안정화를 유지합니다.
요약하자면, 상대적으로 낮은 진공 챔버를 가진 통상 마그네트론 스퍼터링으로 Al2O3 상에 MnSi 박막을 성장시키는 방법을 입증했습니다. 다양한 나노구조를 제조하는 쉬운 방법 개발은 필수적입니다[34, 35]. 분광학적 및 형태학적 분석은 증착된 MnSi 박막이 고도로 균일하고 낮은 거칠기 표면을 가진 다결정성임을 확인했습니다. 수송 특성은 자기 전이 온도가 이전 결과보다 약간 낮았음에도 불구하고 MnSi의 고유 특성을 나타냅니다. 더 중요한 것은, 홀 저항률 기여의 복잡한 함의에 기인하여 우리 다결정 MnSi 박막에서도 넓은 온도와 자기장 범위에서 안정한 스커미온 상을 관측했다는 것입니다. 이 연구는 단결정이나 에피택셜 박막 제조의 부담 없이 스커미온 상을 갖는 물질에 대한 광범위한 조사의 기회를 엽니다.
이 연구 동안 생성되거나 분석된 모든 데이터는 이 출판된 논문과 보충 정보 파일에 포함되어 있으며, 합리적인 요청 시 해당 저자로부터 입수 가능합니다.
나노물질
요약 Ag50Cu50 박막을 스퍼터링 시스템으로 유리 기판에 증착한 후, 펄스 레이저 드웨팅 공정에서 누적 에너지가 나노입자 형성에 미치는 영향을 조사했습니다. 연구 결과, 박막에 축적된 에너지의 크기에 따라 드웨팅된 박막의 특성이 달라지는 것으로 나타났습니다. 낮은 에너지 축적 조건에서는 두 가지 서로 다른 나노입자가 형성되었는데, 쌀알 모양의 Ag60Cu40과 반구형 Ag80Cu20입니다. 흡수 스펙트럼에서도 각각 700nm와 500nm에서 두 개의 피크가 관측되었습니다. 반면, 높은 에너지 축적 조건에서는 나노입자의 조성이 A
초록 큰 일함수 덕분에 MoOₓ는 박막 및 결정질 실리콘 태양전지 모두에서 정공 선택적 접촉으로 널리 사용되어 왔습니다. 본 연구에서는 열증착 MoOₓ 박막을 p형 결정질 실리콘(p-Si) 태양전지 후면 측에 적용하여, 후속 어닐링 처리에 따른 MoOₓ 박막의 광학 및 전자 특성 그리고 해당 소자 성능을 조사했습니다. 100°C에서 어닐링된 MoOₓ 박막이 가장 높은 일함수를 보이며, 에너지 밴드 시뮬레이션과 접촉 저항률 측정 결과 최고의 정공 선택성을 입증했습니다. 전체 후면 p-Si/MoOₓ/Ag 접촉 태양전지는 19.19% 효
