Preparation and Characterization of MnSi, MnGe and Mn1-xFexSi Thin Films: Magnetic Properties under the Influence Strain and of Finite Size Effects

Engelke, Josefin

In magnetischen Materialien, deren Struktur keine Inversionssymmetrie besitzt, begünstigt die Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung eine senkrechte Ausrichtung benachbarter Spins, was zu einer helikalen magnetischen Struktur im Grundzustand führt. Durch ein externes Magnetfeld können verschiedene Phasen induziert werden, darunter ein Skyrmionengitter in der A-Phase direkt unterhalb der Ordnungstemperatur TOrd. Skyrmionen sind topologisch stabile Spinwirbel, die vielversprechende Anwendungsmöglichkeiten z. B. in der Datenspeicherung bieten. Die Verbindungen MnSi, MnGe and Mn1-xFexSi, die in der kubischen B20-Struktur kristallisieren, sind prominente Vertreter dieser Materialien. Dünne Filme der B20-Verbindungen sind von besonderem Interesse, da hier Anisotropien durch Verspannungen und Dünnschichteffekte hervorgerufen werden. Diese können die Skyrmionenphase in einem großen Bereich des magnetischen Phasendiagramms stabilisieren. In dieser Arbeit wurden dünne MnSi-Schichten mittels Molekularstrahlepitaxie auf Si(111) Substraten gewachsen. Einerseits wurden Filme hergestellt, indem eine Mn-Schicht auf dem Si-Substrat abgeschieden und anschließend einlegiert wurde, so dass das Mangan mit dem Silizium des Substrats zu MnSi reagiert. Andererseits wurden Filme durch gleichzeitiges Aufdampfen von Mn und Si gewachsen. In Suszeptibilitätsmessungen zeigte sich, dass TOrd für die MnSi-Filme eine Dickenabhängigkeit aufweist. Während sich die dickeren Filme durch ein gegenüber dem Volumenmaterial erhöhtes TOrd von 43 K auszeichnen, ist TOrd für die sehr dünnen Filme reduziert. Anhand der Dickenabhängigkeit von TOrd konnte die Spin-Spin-Korrelationslänge bestimmt werden. Das magnetische Phasendiagramm der dünnen MnSi-Filme wurde mittels Magnetisierungs- und Magnetowiderstandsmessungen untersucht. Dabei konnten im Vergleich zum Volumenmaterial erhöhte kritische Felder sowie weitere Übergänge in unterschiedliche magnetische Phasen beobachtet werden. Des Weiteren wurden Widerstandsmessungen an einer dünnen MnSi-Schicht unter hydrostatischem Druck durchgeführt. Diese zeigten, dass die magnetische Ordnung vollständig unterdrückt werden kann. Abweichungen vom Modell einer Fermi-Flüssigkeit wurden bei hohen Drücken durch ein T3/2-Verhalten des Widerstandes nachgewiesen. Im zweiten Teil der Arbeit wurden MnGe- und Mn1-xFexSi-Filme auf Si(111) hergestellt. Während die MnGe-Filme ein TOrd von 200 K besitzen, wird die Ordnung in Mn1-xFexSi-Filmen für x= 0,15 +- 0,05 unterdrückt.

In magnetic materials without structural inversion symmetry the Dzyaloshinskii-Moriya interaction favours a perpendicular orientation of neighbored spins, which leads to a helical magnetic ground state. In an external magnetic field a variety of magnetic phases is realized, for example a skyrmion lattice in the A-phase close to the magnetic ordering temperature Tord. Skyrmions are topologically stable spin whirls offering, e.g., promising potential in the field of data storage. The compounds MnSi, MnGe and Mn1-xFexSi, which crystallize in the cubic B20 structure, belong to the most prominent examples of this materials' class. Thin films of the B20 compounds are of special interest, since anisotropies are induced by finite size effects and strain, which are able to stabilize the skyrmion phase in extended regions of the magnetic phase diagram. During this work MnSi thin films were grown by molecular beam epitaxy on Si(111) substrates. On the one hand samples were prepared by deposition of a Mn layer onto the substrate and subsequent annealing. This way Mn reacts with Si from the substrate to form MnSi. On the other hand films were grown by simultaneous deposition of Mn and Si. Susceptibility measurements reveal that Tord is thickness dependent for MnSi thin films. While films thicker than 10 nm possess an enhanced Tord of 43 K compared to the bulk value of 29 K, Tord decreases for thinner films. From this thickness dependence the spin-spin correlation length has been determined. The magnetic phase diagram of MnSi thin films was investigated by magnetization and magnetoresistivity measurements. The saturation field is enhanced compared to bulk MnSi and for applied magnetic fields below saturation further transitions into different magnetic phases occur. Moreover, resistivity measurements on MnSi thin films were performed under hydrostatic pressure, which can completely suppress magnetic order. At high pressure non-Fermi liquid behaviour could be identified by a T3/2 law of the resistivity at low temperatures. In the second part of this work MnGe and Mn1-xFexSi thin films were prepared on Si(111) substrates. While MnGe films posses a high magnetic ordering temperature of 200 K, magnetic order is suppressed for x = 0.15 +- 0.05 in Mn1-xFexSi thin films.

Vorschau

Zitieren

Zitierform:

Engelke, Josefin: Preparation and Characterization of MnSi, MnGe and Mn1-xFexSi Thin Films: Magnetic Properties under the Influence Strain and of Finite Size Effects. 2015.

Zugriffsstatistik

Gesamt:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:
12 Monate:
Volltextzugriffe:
Metadatenansicht:

Details anzeigen

Rechte

Nutzung und Vervielfältigung:
Alle Rechte vorbehalten

Export