通过常规溅射在蓝宝石上生长的 MnSi 薄膜中的 Skyrmion 相

介绍

受拓扑保护的手性斯格明子具有类似涡流的非平凡旋转自旋纹理，其中由 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用 (DMI) 稳定的磁自旋以非共线方式排列在球体周围 [1]。由于破坏了反转对称性 [2]，非中心对称铁磁体中通常会产生大的 DMI。由于基础研究和未来技术可能应用的有趣物理特性，这种复杂的自旋纹理引起了广泛关注 [3, 4]。与磁畴壁相比，斯格明子畴在极低的电流密度下表现出稳定的电流驱动运动，从而实现低功耗自旋电子器件[5]。

具有非中心对称 B20 相的 MnSi 是一种典型的螺旋磁材料，具有斯格米离子晶格，几十年来对其进行了理论和实验研究 6,7,8,9,10]。在 MnSi 的 Skyrmionic 晶格中，观察到自旋转移矩 (STT)，导致对自旋极化电流的注入进行进一步研究 [5]。特别是，MnSi 的斯格明子尺寸范围为 ~ 18 nm，这在具有斯格明子自旋纹理的知名群体中被认为很小 [11]。随着斯格明子尺寸的减小，STT 趋于显着增加 [12, 13]。尽管材料参数影响斯格明子尺寸，但 DMI 和铁磁交换相互作用主要有助于确定斯格明子尺寸 [14]。在这方面，MnSi作为应用物理的良好候选者具有广阔的前景。

为了确认明显的斯格明子，已经使用了多种测量工具，例如洛伦兹透射电子显微镜、磁透射软 X 射线显微镜、磁力显微镜和小角度中子散射 15,16,17,18]。这种显微工具允许在现实空间中直接识别斯格明离子晶格，但需要高质量的单晶或外延薄膜，这些薄膜是通过带有高真空室的特殊仪器生长的。揭示斯格明子存在的另一种方法是测量磁传输特性和拓扑霍尔效应 (THE)，如之前的报告 [9, 9,19,20,21] 所示。即使在多晶样品中也可以观察到 Skyrmions，因为它们是拓扑相不易受杂质或结晶性质影响的拓扑物体 [22]。

在这里，我们报告了通过常规溅射生长的多晶 MnSi 的磁传输特性。我们采用 X 射线衍射 (XRD) 和透射电子显微镜 (TEM) 来鉴定 MnSi 晶体的单相及其结晶度。通过测量随温度变化的磁化强度和电阻曲线，揭示了大约 25 K 处的磁转变，其中磁阻数据在转变温度的边界处也表现出可区分的形状。我们成功地从测量的霍尔电阻中提取了 THE 信号，并绘制了拓扑霍尔电阻率随温度和磁场变化的等值线图。此外，对 MnSi 薄膜中异常霍尔电阻率贡献的分析表明，尽管多晶 MnSi 样品中存在杂质和缺陷，但斯格明子相在更广泛的温度和磁场范围内是稳定的。我们的研究结果表明，可以在使用简便且廉价的仪器生长的多晶 MnSi 薄膜中观察到斯格明子，可以激发对具有斯格明子晶格的类似材料的进一步研究。

方法

MnSi 薄膜沉积在 Si (001) 和 c 上 -通过直流 (DC)/射频 (RF) 磁控溅射切割蓝宝石 (Al2O3) 衬底，基础压力为 1.0 × 10 ^–6 托。通过共溅射 Mn 和 Si 靶 5 分钟，在 10 mTorr Ar 压力下，在室温下生长 MnSi 薄膜。 Mn 靶的 DC 功率为 10 到 20 W，Si 靶的 RF 功率为 100 W。在沉积 MnSi 之后，通过在 MnSi 中进行 2 小时的原位退火处理，使生长的 MnSi 结晶。温度范围为 550–590 °C。样品的晶相和结构通过 XRD 检测，使用 Mo 和 Ag 的 X 射线源，电压为 60 kV。通过扫描电子显微镜 (SEM)、原子力显微镜 (AFM) 和配备能量色散光谱 (EDS) 的高分辨率透射电子显微镜 (HR-TEM) 分析样品的形态特征和化学成分。使用超导量子干涉装置-振动样品磁强计（SQUID-VSM）测量磁和电特性，其中磁场和温度分别扫描到50 kOe和2 K。

结果与讨论

MnSi 薄膜的生长在以前的报告中已经用各种方法得到了很好的描述 [2, 9, 2,9,21,22,23,24,25]。然而，大多数生长 MnSi 的技术需要具有超高真空环境的特定设备，而具有相对较低基础压力的传统磁控溅射的开发尚未引入。由于 Si (001) 衬底和立方 MnSi 结构之间的晶格失配估计约为 19%，我们测试了 Si (001) 衬底上 MnSi 薄膜的最佳生长条件。采用 Mn 和 Si 靶的共溅射方法，精细控制射频功率、生长温度和退火处理等生长条件以生长 MnSi 薄膜（附加文件 1：表 S1）。 Aguf 等人. 据报道，沉积的 MnSi 薄膜是非晶态的，除非它们通过退火处理结晶 [23]。事实上，我们发现最初沉积的非晶 MnSi 在退火处理后变成了结晶的 MnSi 相（附加文件 1：图 S1）。然而，大多数使用 Si (001) 衬底的结果表明，通过 XRD 测量观察到 MnSi 和 Mn5Si3 的混合相。因此，Si(001)衬底被具有低晶格失配(~ 4.2%)的Al2O3衬底取代。

图 1 显示了在 Si（黑色实线）和 Al2O3（蓝色和红色实线）基板上生长的 MnSi 薄膜的 XRD 图案，其中 Si（001）和 Al2O3 #1 上的 MnSi 薄膜是在相同的生长条件下沉积的（Mn 功率为 15 W，Si 功率为 100 W，590 °C 退火处理）。请注意，由于使用了掠入射 X 射线衍射技术，因此并未显示所有样品的底物峰。图中的星号表示 Mn5Si3（ICSD 卡号 04–003-4114）相。对于Si(001)上的MnSi薄膜，主要观察到MnSi峰；此外，还检测到五个与 Mn5Si3 相匹配的峰和几个未知的杂质峰。然而，我们发现与 Mn5Si3 相相关的峰被抑制，而 Al2O3 #1 上的 MnSi 的未知峰消失了。此外，在 Al2O3 #2 样品上的 MnSi，其中 Mn 功率和退火温度分别降低到 10 W 和 550 °C，仅显示出 MnSi（ICSD 卡号 04–004-7568）峰。

Si [(001)，黑色实线] 和 Al2O3（蓝色和红色实线）衬底上的 MnSi 薄膜的 XRD 图案。所有峰都指向立方 B20 型 MnSi 相，用绿色虚线标记。黑色和蓝色实线上的星号表示来自 Mn5Si3 相的峰

尽管在 Al2O3 #2 上生长的 MnSi 显示出有些缺陷的表面，但观察到高度均匀且不平坦的表面，如图 2a 的 SEM 图像和图 2b 的 AFM 形貌图像所示。在 AFM 图像的 15 × 15 微米尺度上，均方根 (RMS) 粗糙度被测量为低于 1 纳米。为了表征详细的结构和化学成分，对 Al2O3 #2 上生长的 MnSi 进行了横截面 TEM 分析。图 2c 显示了界面区域 Al2O3 #2 上的 MnSi 的代表性横截面 TEM 图像。请注意，没有观察到堆垛层错或明显缺陷。当在相对较低的真空室中通过常规溅射生长 MnSi 薄膜时，考虑到晶格失配和化学键等结构参数，很难期望 MnSi 外延生长到衬底表面的首选方向。我们在 Al2O3 上生长的 MnSi 薄膜具有多晶性质，正如 XRD 图案（图 1）和 TEM 图像的快速傅立叶变换 (FFT) [图 2c 的插图] 所证实的那样。我们检查了生长的 MnSi 薄膜的化学成分。如图 2d 的 TEM-EDS 映射所示，在几个不同区域仅检测到 Mn 和 Si 元素的存在，并且估算出 Mn/Si =1:1.1 的原子比。我们通过控制生长时间来测试 MnSi 薄膜的生长速率。生长后的 MnSi 薄膜的厚度随生长时间呈线性变化（附加文件 1：图 S2）。

在 Al2O3 衬底上生长的 MnSi 薄膜的形态和结构表征。 一 生长的 MnSi 薄膜的 SEM 图像。 b 对应于 a 的 AFM 地形图 . RMS 粗糙度估计低于 1 纳米。 c 在蓝宝石上生长的 MnSi 薄膜的代表性 HR-TEM 图像。插图：来自 HR-TEM 图像中 MnSi 选定区域的 FFT。 d MnSi薄膜的EDS元素分布图

图 3a 显示了在 1 kOe 的面外磁场中测量的 MnSi 磁化强度对 Al2O3（厚度 25 nm）的温度依赖性。磁化强度在 25 K 以上时显着下降，表明铁磁转变温度 (T C)，类似于块状 MnSi [26, 27]。取决于温度的电阻率表现出高于 T 的金属行为 C，如图 3b 所示。 T 以下 C、电阻率随T而降低 ² 由于电荷载流子与螺旋磁相中的自旋波动耦合，温度降低时的依赖性 [28]。如图 3b 的插图所示，电阻率与温度的导数突出显示了 T MnSi 薄膜的 C 在大约 25 K。表面上的多晶和缺陷导致低残余电阻率，即 [ρ (300 K)/ρ (5 K)] ~ 1.7。

一 在 1 kOe 的外部磁场中，25 nm 厚的 MnSi 薄膜的场冷磁化强度与温度的函数关系。 b 作为温度函数的零场纵向电阻。插图：作为温度函数的电阻导数，突出了磁转变的异常。 c 2、25 和 50 K 处的垂直磁阻。为清楚起见，添加了任意偏移量，并将 50 K 处测量的磁阻放大了 10 倍

图 3c 显示了在 2 K、25 K 和 50 K 不同温度下垂直于薄膜平面的磁场的磁阻。正如我们上面讨论的，由于生长的 MnSi 薄膜具有多晶性质，磁相变从没有清楚地观察到磁阻。然而，在低磁场中，磁阻的温度依赖性表现出可区分的特征。随着温度的升高，零磁场附近的磁阻形状从平坦的 (2 K) 变为尖锐 (25 K) 和宽 (50 K) 的峰值。

关于自旋手性驱动的霍尔效应，THE 可以由强自旋轨道耦合和非中心对称 B20 晶体结构引起的 DMI 诱导 [29]，这被认为是存在斯格明子相的标志。我们进行了霍尔电阻率测量，以观察与 THE 相关的异常电阻率。总霍尔电阻率可以表示为三个分量的组合：

其中 ρ 正常，ρ AHE 和 ρ THE 分别是正常、异常和拓扑霍尔电阻率。 R 0 是正常霍尔系数，α , β , 和 b 是与偏斜散射、侧跳和对异常霍尔电阻率的固有贡献相对应的常数。此外，n Skx 是相对斯格明子密度，P 是传导电子的极化，R TH 是拓扑霍尔系数，B eff 是源自真实空间 Berry 相的有效磁场 [20, 30]。拓扑霍尔贡献可以通过从测量的总霍尔电阻率中减去正常和异常霍尔电阻率项来提取。

图 4a 显示了解卷积霍尔数据，以提取 10 K 时的 THE 信号作为蓝色曲线，包括正常（绿线）和异常（红色曲线）霍尔电阻率。注意ρ的正斜率 正常表示p - 型多数载流子，和 ρ AHE 为负值，与块状 MnSi [31]、薄膜 [9] 和纳米线 [20] 的 AHE 一致。 ρ 法线是从高磁场下的线性拟合获得的，ρ AHE 直接取自磁化数据。 ρ 取决于温度的 THE 显示在图 4b 中。有趣的是，ρ 的符号 THE 在 25 K 的边界处翻转，这是预期的磁跃迁。 ρ的符号 THE 对电荷载流子的自旋极化非常敏感。在 MnSi 的能带结构中，d 中的局域电子 带影响费米能级附近的态密度，而 s 中的流动电子 能带对能带结构的贡献微乎其微[31]，使自旋极化变得微妙。此外，由于拉伸应变和晶体纯度等外部因素会随着温度的变化而改变自旋极化[9]，ρ的翻转符号 我们的多晶 MnSi 样品中的 THE 是合理的。图 4c 展示了 ρ 的等高线映射 THE 作为磁场和温度的函数。虽然在接近磁转变温度的狭窄温度范围内观察到块体 MnSi 中的 Skyrmion 相，但非零 ρ 无论符号如何，THE 都是从 2 到 40 K 收集的。 ρ的绝对值 THE 在 10 K 和 4 kOe 下的最大值为 36 nΩ cm，比通过 MBE (10 nΩ cm) [9]、块状 (4.5 nΩ cm) [32] 和纳米线 (15 nΩ cm) 生长的薄膜大[20] 但与超高真空室离轴磁控溅射生长的薄膜相似[25]。

一 10 K 时的代表性霍尔电阻率曲线。THE 信号（蓝色曲线）是通过从测量的总霍尔电阻率（黑色曲线）中减去正常（绿色线）和异常霍尔信号（红色曲线）来提取的。 b 不同温度下的拓扑霍尔电阻率，使用文本中详述的相同程序提取。 c THE 信号作为磁场和温度的函数的等高线映射，由温度之间的拓扑霍尔电阻率插值构成。 d 在拓扑霍尔电阻率不为零的温度下作为纵向磁电阻率平方函数的反常霍尔电阻率

ρ AHE 由三个部分组成：偏斜散射、侧跳和内在贡献。异常霍尔贡献的缩放意味着 ρ AHE 与与动量空间 Berry 相相关的内在贡献 \(\rho_{xx}^{2}\) 成正比 [33]。在图 4d 中，我们绘制了 ρ AHE 对 \(\rho_{xx}^{2}\) 在 20 kOe，显示出与线性相关性的明显偏差。缩放的分解表明，异常霍尔效应与由我们多晶 MnSi 样品中的杂质和缺陷引起的外在偏斜散射和侧跳贡献有关，从而在更广泛的温度和磁场范围内保持了斯格明子相的稳定性。

结论

总之，我们展示了一种在 Al2O3 上生长 MnSi 薄膜的方法，该方法通过传统的磁控溅射和相对较低的真空室。开发一种简便的方法来制造各种纳米结构势在必行 [34, 35]。光谱和形态分析证实，沉积的 MnSi 薄膜具有多晶性质，具有高度均匀和低粗糙度的表面。尽管磁转变温度略低于以前的结果，但传输特性表现出 MnSi 的固有特性。更重要的是，我们在广泛的温度和磁场范围内观察到稳定的斯格明子相，甚至在我们的多晶 MnSi 薄膜中，这归因于霍尔电阻率贡献的复杂含义。这项工作为广泛研究具有斯格明子相的材料开辟了机会，超越了制备单晶或外延薄膜的负担。

数据和材料的可用性

本研究期间生成或分析的所有数据均包含在本文发表的文章及其补充信息文件中，可根据合理要求向通讯作者索取。

缩写

DMI：

Dzyaloshinskii-Moriya 互动

STT：

自旋转移扭矩

THE：

拓扑霍尔效应

XRD：

X射线衍射

TEM：

透射电子显微镜

Al2O3 :

蓝宝石

DC：

直流电

RF：

射频

SEM：

扫描电镜

原子力显微镜：

原子力显微镜

HR-TEM：

高分辨透射电子显微镜

EDS：

能量色散光谱

SQUID-VSM：

超导量子干涉仪-振动样品磁强计

RMS：

均方根

FFT：

快速傅里叶变换

T :

铁磁转变温度