Réalisation de la phase skyrmion dans les films minces MnSi déposés sur saphir par pulvérisation cathodique conventionnelle

Résumé

Les skyrmions chiraux topologiquement protégés sont une texture de spin intrigante qui a attiré beaucoup d'attention en raison de la recherche fondamentale et des futures applications spintroniques. Le MnSi avec une structure non-centrosymétrique est un matériau bien connu hébergeant une phase skyrmion. À ce jour, la préparation des cristaux MnSi a été étudiée en utilisant des instruments spéciaux avec une chambre à ultra-haut vide. Ici, nous introduisons une façon facile de faire croître des films MnSi sur un substrat de saphir en utilisant un environnement à vide relativement bas de pulvérisation cathodique magnétron conventionnelle. Bien que les films MnSi déposés aient une nature polycristalline, une phase skyrmion stable dans une large gamme de températures et de champs magnétiques est observée via les propriétés magnéto-transport incluant l'analyse d'échelle phénoménologique de la contribution de la résistivité de Hall. Nos découvertes fournissent non seulement une façon générale de préparer les matériaux possédant des phases skyrmion mais aussi un aperçu pour de futures recherches pour stimuler plus de degrés de liberté dans notre curiosité.

Introduction

Les skyrmions chiraux topologiquement protégés ont une texture de spin tourbillonnaire non-triviale de type vortex, où les spins magnétiques stabilisés par l'interaction de Dzyaloshinskii-Moriya (DMI) s'alignent d'une manière non-collinéaire entourant une sphère [1]. Une grande DMI est généralement induite dans les ferromagnets non-centrosymétriques, en raison de la symétrie d'inversion brisée [2]. Cette texture de spin complexe a attiré une attention massive en raison des propriétés physiques intrigantes pour la recherche fondamentale et les applications possibles dans la technologie future [3, 4]. Comparés aux parois de domaines magnétiques, les domaines skyrmion exhibent un mouvement stable entraîné par le courant à une densité de courant remarquablement faible, permettant des dispositifs spintroniques à faible consommation d'énergie [5].

Le MnSi avec une phase B20 non-centrosymétrique est un matériau héliomagnétique archétypal hébergeant un réseau skyrmionique, qui a été étudié théoriquement et expérimentalement pendant des décennies [6,7,8,9,10]. Dans le réseau skyrmionique de MnSi, le couple de transfert de spin (STT) est observé, menant à des investigations supplémentaires sur l'injection de courants polarisés en spin [5]. En particulier, la taille des skyrmions de MnSi varie environ ~18 nm, ce qui est considéré comme petit parmi les groupes bien connus avec textures de spin skyrmioniques [11]. Le STT tend à augmenter significativement avec la réduction de la taille des skyrmions [12, 13]. Bien que les paramètres matériels affectent la taille des skyrmions, la DMI et l'interaction d'échange ferromagnétique contribuent principalement à déterminer la taille des skyrmions [14]. À cet égard, le MnSi a d'excellentes perspectives en tant que bon candidat pour la physique appliquée.

Pour confirmer les skyrmions évidents, divers outils de mesure, tels que la microscopie électronique à transmission de Lorentz, la microscopie aux rayons X mous magnétiques, la microscopie à force magnétique, et la diffusion de neutrons à petits angles, ont été utilisés [15,16,17,18]. De tels outils microscopiques permettent l'identification directe du réseau skyrmionique dans l'espace réel, mais des cristaux simples de haute qualité ou des films minces épitaxiaux sont nécessaires, qui sont cultivés par des instruments spéciaux avec une chambre à haut vide. L'autre façon de révéler l'existence des skyrmions est de mesurer les propriétés magnéto-transport et l'effet Hall topologique (THE), comme montré dans les rapports précédents [9, 9,19,20,21]. Les skyrmions peuvent être observés même dans des échantillons polycristallins car ce sont des objets topologiques dans lesquels la phase topologique est moins sensible aux impuretés ou à la nature cristalline [22].

Ici, nous rapportons les propriétés magnéto-transport du MnSi polycristallin cultivé par pulvérisation cathodique conventionnelle. Nous avons employé la diffraction des rayons X (XRD) et la microscopie électronique à transmission (TEM) pour identifier la phase unique des cristaux MnSi et leur cristallinité. La transition magnétique à environ 25 K a été révélée en mesurant les courbes de magnétisation et de résistance dépendantes de la température, où les données de magnétorésistance exhibaient également une forme distinguable à la frontière de la température de transition. Nous avons extrait avec succès le signal THE de la résistance de Hall mesurée, et tracé la cartographie de contour de la résistivité de Hall topologique en fonction de la température et du champ magnétique. De plus, l'analyse de la contribution de la résistivité de Hall anomale dans les films MnSi impliquait la stabilisation de la phase skyrmion dans une gamme plus large de températures et de champs magnétiques, bien que des impuretés et défauts dans l'échantillon MnSi polycristallin. Nos découvertes montrent que les skyrmions peuvent être observés dans des films MnSi polycristallins cultivés par des instruments faciles et peu coûteux, et de futures investigations de matériaux similaires possédant des réseaux skyrmioniques peuvent être stimulées.

Méthodes

Les films MnSi ont été déposés sur des substrats Si (001) et c-coupe saphir (Al₂O₃) par pulvérisation cathodique magnétron à courant continu (DC)/radiofréquence (RF) avec une pression de base de 1,0 × 10^–6 Torr. Les films MnSi ont été cultivés à température ambiante sous 10 mTorr pression Ar par co-pulvérisation de cibles Mn et Si pendant 5 min. La puissance DC pour la cible Mn était de 10 à 20 W, et la puissance RF pour la cible Si était de 100 W. Après le dépôt de MnSi, le MnSi tel que déposé a été cristallisé en induisant un traitement de recuit in situ pendant 2 h dans la plage de température de 550-590 °C. La phase cristalline et la structure des échantillons ont été examinées par XRD avec une source de rayons X de Mo et Ag à 60 kV. La caractérisation morphologique et la composition chimique des échantillons ont été analysées par microscopie électronique à balayage (SEM), microscopie à force atomique (AFM), et microscopie électronique à transmission haute résolution (HR-TEM) équipée de spectroscopie à dispersion d'énergie (EDS). Les propriétés magnétiques et électriques ont été mesurées en utilisant un magnétomètre à dispositif d'interférence quantique supraconducteur-échantillon vibrant (SQUID-VSM), où le champ magnétique et la température étaient balayés jusqu'à 50 kOe et jusqu'à 2 K, respectivement.

Résultats et Discussion

La croissance des films MnSi a été bien décrite dans les rapports précédents avec diverses méthodes [2, 9, 2,9,21,22,23,24,25]. Cependant, la plupart des techniques pour cultiver le MnSi nécessitent des installations spécifiques avec un environnement à ultra-haut vide, tandis que le développement de la pulvérisation cathodique magnétron conventionnelle avec une pression de base relativement basse n'a pas encore été introduit. Puisque le désaccord de réseau entre le substrat Si (001) et la structure cubique MnSi est estimé à environ 19 %, nous avons testé les conditions de croissance optimales des films MnSi sur des substrats Si (001). Une méthode de co-pulvérisation avec des cibles Mn et Si a été employée, et les conditions de croissance telles que la puissance RF, la température de croissance, et les traitements de recuit étaient minutieusement contrôlées pour cultiver les films MnSi (Fichier supplémentaire 1 : Tableau S1). Aguf et al. ont rapporté que les films MnSi tel que déposés étaient amorphes à moins qu'ils ne soient cristallisés par traitement de recuit [23]. En effet, nous avons trouvé que le MnSi amorphe initialement déposé se transformait en phase MnSi cristallisée après traitement de recuit (Fichier supplémentaire 1 : Fig. S1). La plupart des résultats utilisant des substrats Si (001), cependant, montraient que des phases mixtes de MnSi et Mn₅Si₃ étaient observées par les mesures XRD. Pour cette raison, les substrats Si (001) ont été remplacés par des substrats Al₂O₃ ayant un faible désaccord de réseau (~ 4,2 %).

La figure 1 présente les diagrammes XRD des films MnSi cultivés sur Si (ligne noire continue) et Al₂O₃ (lignes bleues et rouges continues) substrats, où les films MnSi sur Si (001) et sur Al₂O₃ #1 ont été déposés sous les mêmes conditions de croissance (15 W puissance pour Mn, 100 W puissance pour Si, 590 °C traitement de recuit). Notez que les pics de substrat n'étaient pas affichés pour tous les échantillons car la technique de diffraction des rayons X à incidence rasante a été utilisée. L'astérisque dans la figure indique la phase Mn₅Si₃ (carte ICSD n° 04-003-4114). Pour le film MnSi sur Si (001), les pics MnSi étaient principalement observés ; en plus, cinq pics correspondaient à la phase Mn₅Si₃ et plusieurs pics d'impuretés inconnus étaient détectés. Cependant, nous avons trouvé que les pics liés à la phase Mn₅Si₃ étaient supprimés et les pics inconnus disparaissaient pour MnSi sur Al₂O₃ #1. De plus, l'échantillon MnSi sur Al₂O₃ #2, dans lequel la puissance Mn et la température de recuit diminuaient à 10 W et 550 °C, respectivement, montrait seulement des pics MnSi (carte ICSD n° 04-004-7568).

Diagrammes XRD des films MnSi sur Si [(001), ligne noire continue] et Al₂O₃ (lignes bleues et rouges continues) substrats. Tous les pics sont indexés à la phase MnSi cubique de type B20, marqués avec des lignes pointillées vertes. Les astérisques sur les lignes noires et bleues continues indiquent les pics de la phase Mn₅Si₃

Bien que le MnSi tel que cultivé sur Al₂O₃ #2 ait montré une surface quelque peu défectueuse, une surface hautement uniforme et peu inégale a été observée, comme montré dans l'image SEM de la Fig. 2a et l'image topographique AFM de la Fig. 2b. À l'échelle de 15 × 15 μm de l'image AFM, la rugosité quadratique moyenne (RMS) a été mesurée à moins de 1 nm. Pour caractériser la structure détaillée et la composition chimique, des analyses TEM en coupe transversale du MnSi tel que cultivé sur Al₂O₃ #2 ont été effectuées. La figure 2c montre une image TEM en coupe transversale représentative du film MnSi sur Al₂O₃ #2 à la région interfaciale. Notez qu'aucun défaut d'empilement ou défaut significatif n'a été observé. Lorsque les films MnSi sont cultivés par pulvérisation cathodique conventionnelle dans une chambre à vide relativement bas, il est difficile de s'attendre à ce que le MnSi croisse épitaxialement dans la direction préférée de la surface des substrats, en considérant les paramètres structuraux tels que le désaccord de réseau et la liaison chimique. Nos films MnSi cultivés sur Al₂O₃ ont une nature polycristalline, comme confirmé par les diagrammes XRD (Fig. 1) et la transformée de Fourier rapide (FFT) de l'image TEM [inset de la Fig. 2c]. Nous avons examiné la composition chimique des films MnSi tel que cultivés. Comme vu dans la cartographie EDS TEM de la Fig. 2d, la présence des seuls éléments Mn et Si a été détectée dans plusieurs régions différentes, et le rapport atomique Mn/Si = 1:1,1 a été estimé. Nous avons testé le taux de croissance des films MnSi en contrôlant le temps de croissance. L'épaisseur des films MnSi tel que cultivés montrait un comportement linéaire pour le temps de croissance (Fichier supplémentaire 1 : Fig. S2).

Caractérisation morphologique et structurelle du film MnSi cultivé sur substrat Al₂O₃. a Image SEM du film MnSi tel que cultivé. b Image topographique AFM correspondant à a. Rugosité RMS estimée à moins de 1 nm. c Image HR-TEM représentative du film MnSi cultivé sur saphir. Inset: FFT de la zone sélectionnée de MnSi dans l'image HR-TEM. d Cartographie élémentaire EDS du film MnSi en coupe transversale

La figure 3a montre la dépendance de la température de l'aimantation pour MnSi sur Al₂O₃ (épaisseur 25 nm) mesurée dans un champ magnétique hors-plan de 1 kOe. L'aimantation a chuté significativement aux températures au-dessus de 25 K, indiquant une température de transition ferromagnétique (T_C), similaire au MnSi massif [26, 27]. La résistivité en fonction de la température exhibait un comportement métallique au-dessus de T_C, comme montré à la Fig. 3b. En dessous de T_C, la résistivité tendait à diminuer avec une dépendance T² à mesure que la température diminuait, en raison du couplage des porteurs de charge aux fluctuations de spin dans la phase héliomagnétique [28]. Comme vu dans l'inset de la Fig. 3b, la dérivée de la résistivité versus température mettait en évidence le T_C des films MnSi à environ 25 K. Les polycristaux et défauts sur la surface donnent lieu à un faible rapport de résistivité résiduelle, c.-à-d., [ρ(300 K)/ρ(5 K)] ~ 1,7.

a Aimantation refroidie en champ en fonction de la température pour un film MnSi de 25 nm d'épaisseur dans un champ magnétique externe de 1 kOe. b Résistance longitudinale à champ nul en fonction de la température. Inset: dérivée de la résistance en fonction de la température mettant en évidence l'anomalie de transition magnétique. c Magnétorésistance perpendiculaire à 2, 25 et 50 K. Pour la clarté, des décalages arbitraires sont ajoutés, et la magnétorésistance mesurée à 50 K est amplifiée 10 fois

La figure 3c montre la magnétorésistance pour les champs magnétiques perpendiculaires au plan du film à différentes températures de 2 K, 25 K, et 50 K. Comme nous l'avons discuté ci-dessus, puisque les films MnSi tel que cultivés avaient une nature polycristalline, la transition de phase magnétique de la magnétorésistance n'était pas clairement observée. Dans les bas champs magnétiques, cependant, la dépendance de la température de la magnétorésistance exhibait des caractéristiques distinguables. À mesure que la température augmentait, la forme de la magnétorésistance dans le voisinage du champ magnétique nul changeait de plate (2 K) à pointue (25 K) et large (50 K) pics.

Concernant l'effet Hall entraîné par la chiralité de spin, le THE peut être induit par la DMI découlant du couplage spin-orbite fort et de la structure cristalline B20 non-centrosymétrique [29], ce qui est considéré comme une marque de l'existence de la phase skyrmion. Nous avons effectué des mesures de résistivité de Hall pour observer la résistivité anormale liée au THE. La résistivité de Hall totale peut être exprimée comme une combinaison de trois composantes :

$$\begin{aligned} \rho_{{{\text{Hall}}}} & = \rho_{{{\text{normal}}}} + \rho_{{{\text{AHE}}}} + \rho_{{{\text{THE}}}} \\ & = R_{0} H + \left( {\alpha \rho_{xx0} + \beta \rho_{xx0}^{2} + b\rho_{xx}^{2} } \right)M + n_{{{\text{Skx}}}} PR_{{{\text{TH}}}} B_{{{\text{eff}}}} , \\ \end{aligned}$$

où ρ_normal, ρ_AHE, et ρ_THE sont les résistivités de Hall normale, anomale, et topologique, respectivement. R₀ est le coefficient de Hall normal, et α, β, et b sont les constantes correspondant aux contributions de diffusion oblique, saut latéral, et intrinsèque à la résistivité de Hall anomale. De plus, n_Skx est la densité relative de skyrmions, P est la polarisation des électrons de conduction, R_TH est le coefficient de Hall topologique, et B_eff est le champ magnétique effectif dérivé de la phase de Berry en espace réel [20, 30]. La contribution de Hall topologique peut être extraite en soustrayant les termes de résistivité de Hall normale et anomale de la résistivité de Hall totale mesurée.

La figure 4a montre les données de Hall déconvoluées pour extraire le signal THE à 10 K comme la courbe bleue, incluant la normale (ligne verte) et l'anomale (courbe rouge) résistivités de Hall. Notez que la pente positive de ρ_normal indique des porteurs majoritaires de type p, et ρ_AHE est négative, cohérente avec celles du MnSi massif [31], films minces [9], et nanofils [20]. ρ_normal est obtenu de l'ajustement linéaire aux champs magnétiques élevés, et ρ_AHE est directement prise des données d'aimantation. La ρ_THE en fonction de la température est affichée à la Fig. 4b. Intéressant, le signe de ρ_THE s'est inversé à la frontière de 25 K, où la transition magnétique était attendue. Le signe de ρ_THE est très sensible à la polarisation de spin des porteurs de charge. Dans la structure de bande du MnSi, les électrons localisés dans la bande d affectent la densité d'états près du niveau de Fermi, tandis que les électrons itinérants dans la bande s contribuent faiblement à la structure de bande [31], permettant à la polarisation de spin d'être délicate. De plus, puisque la polarisation de spin peut être changée par des facteurs externes tels que la contrainte de traction et la pureté cristalline avec la température [9], le signe inversé de ρ_THE dans notre échantillon MnSi polycristallin est raisonnable. La figure 4c présente la cartographie de contour de ρ_THE en fonction du champ magnétique et de la température. Alors que la phase skyrmion dans le MnSi massif était observée dans une gamme de température étroite proche de la température de transition magnétique, une ρ_THE non-nulle a été collectée de 2 à 40 K indépendamment du signe. La valeur absolue de ρ_THE avait un maximum de 36 nΩ cm à 10 K et 4 kOe, plus grande que celle des films minces cultivés par MBE (10 nΩ cm) [9], massif (4,5 nΩ cm) [32], et nanofil (15 nΩ cm) [20] mais similaire à celle des films minces cultivés par pulvérisation cathodique magnétron hors-axe avec une chambre à ultra-haut vide [25].

a La courbe représentative de résistivité de Hall à 10 K. Le signal THE (courbe bleue) est extrait en soustrayant les signaux normaux (ligne verte) et anomaux de Hall (courbe rouge) de la résistivité de Hall totale mesurée (courbe noire). b Résistivités de Hall topologiques à diverses températures, extraites en utilisant la même procédure détaillée dans le texte. c La cartographie de contour du signal THE en fonction du champ magnétique et de la température, construite par interpolation de la résistivité de Hall topologique entre les températures. d Résistivité de Hall anomale en fonction de la magnétorésistance longitudinale au carré en dessous de la température où la résistivité de Hall topologique n'est pas nulle

ρ_AHE consiste en trois composantes : diffusion oblique, saut latéral, et contributions intrinsèques. Une implication dans l'échelle de la contribution de Hall anomale est que ρ_AHE est proportionnelle à la contribution intrinsèque, \(\rho_{xx}^{2}\), associée à la phase de Berry dans l'espace de momentum [33]. À la Fig. 4d, nous traçons ρ_AHE contre \(\rho_{xx}^{2}\) à 20 kOe, montrant une déviation évidente de la dépendance linéaire. La rupture de l'échelle suggère que l'effet Hall anormal est pertinent aux contributions de diffusion oblique et saut latéral extrinsèques causées par les impuretés et défauts dans notre échantillon MnSi polycristallin, retenant la stabilisation de la phase skyrmion dans une gamme plus large de températures et de champs magnétiques.

Conclusion

En résumé, nous avons démontré une méthode pour cultiver des films MnSi sur Al₂O₃ par pulvérisation cathodique magnétron conventionnelle avec une chambre à vide relativement basse. Développer une façon facile de fabriquer diverses nanostructures est impératif [34, 35]. Les analyses spectroscopiques et morphologiques ont confirmé que les films MnSi tel que déposés ont une nature polycristalline avec une surface hautement uniforme et de faible rugosité. Les propriétés de transport exhibent les caractéristiques intrinsèques du MnSi, bien que la température de transition magnétique était légèrement plus basse que celle des résultats précédents. Plus important encore, nous observons une phase skyrmion stable dans une large gamme de températures et de champs magnétiques, même dans nos films MnSi polycristallins, attribuée à l'implication compliquée de la contribution de la résistivité de Hall. Ce travail ouvre l'opportunité pour une investigation extensive de matériaux possédant des phases skyrmion au-delà du fardeau de préparer des cristaux simples ou des films minces épitaxiaux.

Disponibilité des données et matériaux

Toutes les données générées ou analysées pendant cette étude sont incluses dans cet article publié et ses fichiers d'informations supplémentaires, et sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

Abréviations

DMI :

Interaction de Dzyaloshinskii-Moriya

STT :

Couple de transfert de spin

THE :

Effet Hall topologique

XRD :

Diffraction des rayons X

TEM :

Microscope électronique à transmission

Al₂O₃ :

Saphir

DC :

Courant continu

RF :

Radiofréquence

SEM :

Microscopie électronique à balayage

AFM :

Microscopie à force atomique

HR-TEM :

Microscopie électronique à transmission haute résolution

EDS :

Spectroscopie à dispersion d'énergie

SQUID-VSM :

Magnétomètre à dispositif d'interférence quantique supraconducteur-échantillon vibrant

RMS :

Racine moyenne carrée

FFT :

Transformée de Fourier rapide

T_C :

Température de transition ferromagnétique