常规溅射法在蓝宝石上生长MnSi薄膜实现斯格明子相

摘要

拓扑保护手性斯格明子是引人入胜的自旋纹理，因基础研究和未来自旋电子应用备受关注。具有非中心对称结构的MnSi是已知宿主斯格明子相材料。迄今MnSi晶体制备采用超高真空腔特殊仪器。本文介绍利用常规磁控溅射在蓝宝石衬底上生长MnSi薄膜的简便方法，仅需相对低真空环境。尽管生长MnSi薄膜为多晶性质，但通过磁输运性质包括霍尔电阻率贡献现象学缩放分析，观测到宽温度和磁场范围内稳定斯格明子相。研究发现不仅提供制备具斯格明子相材料通用方法，也为进一步研究提供见解，激发更多探索自由度。

引言

拓扑保护手性斯格明子具有涡旋状非平凡旋转自旋纹理，磁自旋经Dzyaloshinskii-Moriya相互作用(DMI)稳定，非共线方式围绕球体排列[1]。大DMI通常在非中心对称铁磁体中诱导，源于倒易对称性破缺[2]。这种复杂自旋纹理因基础研究和未来技术应用引人入胜物理性质而获大量关注[3,4]。相比磁畴壁，斯格明子畴在极低电流密度下表现稳定电流驱动运动，实现低功耗自旋电子器件[5]。

具有非中心对称B20相MnSi是典型螺旋磁性材料，宿主斯格明子晶格，数十年理论和实验研究[6,7,8,9,10]。MnSi斯格明子晶格中观测到自旋转移力矩(STT)，推动自旋极化电流注入研究[5]。MnSi斯格明子尺寸约18 nm，在已知斯格明子自旋纹理群体中较小[11]。STT随斯格明子尺寸减小显著增加[12,13]。材料参数虽影响斯格明子尺寸，但DMI和铁磁交换相互作用主要决定斯格明子尺寸[14]。此方面MnSi作为应用物理优秀候选材料前景广阔。

为确证斯格明子，用洛伦兹透射电镜、磁透射软X射线显微镜、磁力显微镜、小角中子散射等多种测量工具[15,16,17,18]。此类显微工具允许实空间直接辨识斯格明子晶格，但需高质量单晶或外延薄膜，需特殊仪器高真空腔生长。另一种揭示斯格明子存在方法是测量磁输运性质和拓扑霍尔效应(THE)，如前文[9, 9,19,20,21]。因斯格明子是拓扑对象，拓扑相对杂质或晶体性质不敏感，甚至多晶样品也可观测斯格明子[22]。

本文报告常规溅射生长多晶MnSi磁输运性质。用X射线衍射(XRD)和透射电镜(TEM)确认MnSi晶体单相和结晶度。测温度依赖磁化和电阻曲线揭示约25 K磁转变，磁阻数据在转变温度边界也显示可辨识形状。成功从测量霍尔电阻提取THE信号，绘制拓扑霍尔电阻率随温度磁场等值线图。此外，MnSi薄膜反常霍尔电阻率贡献分析暗示尽管多晶MnSi样品存在杂质缺陷，斯格明子相在更宽温度磁场范围稳定。研究发现斯格明子可在常规溅射生长多晶MnSi薄膜中观测，且廉价简便仪器即可实现，可刺激对类似宿主斯格明子晶格材料进一步研究。

方法

MnSi薄膜在Si(001)和c切面蓝宝石(Al₂O₃)衬底上通过直流(DC)/射频(RF)磁控溅射沉积，基压1.0×10⁻⁶ Torr。室温下10 mTorr Ar压力共溅射Mn和Si靶5 min。Mn靶直流功率10–20 W，Si靶射频功率100 W。MnSi沉积后，原位退火处理2 h，温度550–590°C使成晶。用Mo和Ag X射线源(60 kV)XRD检查样品晶相结构。扫描电镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)、配备能量色散谱(EDS)高分辨透射电镜(HR-TEM)分析样品形貌表征和化学成分。超导量子干涉装置-振动样品磁强计(SQUID-VSM)测量磁电性质，磁场扫描至50 kOe，温度降至2 K。

结果与讨论

MnSi薄膜生长前文用多种方法描述[2, 9, 2,9,21,22,23,24,25]。但大多数生长MnSi技术需超高真空特定设施，常规磁控溅射相对低基压开发未引入。Si(001)衬底与立方MnSi结构晶格失配估计约19%，测试Si(001)上MnSi薄膜最优生长条件。采用Mn和Si靶共溅射，精细控制射频功率、生长温度、退火处理等生长条件(附件Table S1)。Aguf等报告沉积MnSi非退火为非晶态[23]。确实初始沉积非晶MnSi经退火转变为结晶MnSi相(附件Fig.S1)。但多数Si(001)衬底结果XRD显示MnSi和Mn₅Si₃混合相。故用晶格失配低(~4.2%)Al₂O₃衬底替代Si(001)。

图1展示Si(黑实线)和Al₂O₃(蓝、红实线)衬底上MnSi薄膜XRD图谱，Si(001)和Al₂O₃ #1 MnSi薄膜同生长条件(Mn 15 W、Si 100 W、590°C退火)。因掠入射XRD技术，所有样品衬底峰未显示。星号标示Mn₅Si₃相(ICSD 04-003-4114)。Si(001)上MnSi主要观测MnSi峰，额外5峰匹配Mn₅Si₃相和若干未知杂质峰。但Al₂O₃ #1 MnSi抑制Mn₅Si₃相峰、未知峰消失。Al₂O₃ #2样品(Mn功率降至10 W、退火温度降至550°C)仅显示MnSi相峰(ICSD 04-004-7568)。

Al₂O₃ #2生长MnSi虽表面稍有缺陷，但观察到高度均匀低不平度表面(图2a SEM、图2b AFM拓扑图)。15×15 μm AFM图像均方根(RMS)粗糙度<1 nm。为表征详细结构化学成分，对Al₂O₃ #2生长MnSi横截面TEM分析。图2c显示MnSi/Al₂O₃界面区代表性横截面TEM图像。未观测堆垛错或显著缺陷。常规溅射相对低真空腔生长MnSi，考虑晶格失配和化学键结构参数，难期望MnSi外延生长至衬底表面优选方向。Al₂O₃上生长MnSi薄膜呈多晶性质，XRD图谱(图1)和TEM图像快速傅里叶变换(FFT)[图2c插图]确认。检测生长MnSi薄膜化学成分。图2d TEM-EDS映射显示不同区域仅检测Mn、Si元素，原子比Mn/Si=1:1.1。测试控制生长时间MnSi生长速率，厚度随生长时间线性变化(附件Fig.S2)。

图3a显示Al₂O₃上MnSi(厚度25 nm)垂直膜面1 kOe磁场下温度依赖磁化。磁化在25 K以上显著下降，指示铁磁转变温度(T_C)，类似体相MnSi[26,27]。电阻温度依赖T_C以上呈金属行为(图3b)。T_C以下电阻随温度降低呈T²依赖下降，因荷载体与螺旋磁相自旋涨落耦合[28]。图3b插图电阻温度导数突显MnSi薄膜T_C约25 K。多晶和表面缺陷导致低剩余电阻率比[ρ(300 K)/ρ(5 K)]~1.7。

图3c显示不同温度2 K、25 K、50 K垂直膜面磁场磁阻。如前所述，多晶性质致使磁相变磁阻不清晰。但低磁场下磁阻温度依赖显示可辨识特征。温度升高时零磁场附近磁阻形状从平坦(2 K)变尖锐(25 K)再变宽(50 K)。

关于自旋手性驱动霍尔效应，THE可由强自旋轨道耦合和非中心对称B20晶体结构产生DMI诱导[29]，视为斯格明子相存在标志。测量霍尔电阻率观测THE相关异常电阻率。总霍尔电阻率可表示三分量组合：

ρ_Hall = ρ_normal + ρ_AHE + ρ_THE = R₀H + (αρ_xx0 + βρ_xx0² + bρ_xx²)M + n_Skx P R_TH B_eff

ρ_normal、ρ_AHE、ρ_THE分别为正常、反常、拓扑霍尔电阻率。R₀为正常霍尔系数，α、β、b为反常霍尔电阻率斜散射、侧跳、本征贡献常数。n_Skx为相对斯格明子密度，P为传导电子自旋极化，R_TH为拓扑霍尔系数，B_eff为实空间Berry相位导出有效磁场[20,30]。从测量总霍尔电阻率减去正常和反常霍尔电阻率项提取拓扑霍尔贡献。

图4a显示10 K解卷积霍尔数据提取THE信号(蓝曲线)，含正常(绿线)和反常(红曲线)霍尔电阻率。ρ_normal正斜率指示p型多数载流子，ρ_AHE为负，与体相MnSi[31]、薄膜[9]、纳米线[20]一致。ρ_normal高磁场线性拟合得出，ρ_AHE直接取磁化数据。图4b显示ρ_THE温度依赖。有趣的是ρ_THE符号在25 K磁转变边界翻转。ρ_THE符号对电荷载流子自旋极化极敏感。MnSi能带结构中d带定域电子影响费米面附近态密度，s带游离电子贡献微弱[31]，允许自旋极化微妙变化。外部因素如拉应变和晶体纯度随温度变化可改变自旋极化[9]，多晶MnSi样品ρ_THE翻转合理。图4c展示ρ_THE随磁场温度等值线图。体相MnSi斯格明子相观测于接近磁转变温度窄温区，但本样品2–40 K无论符号均采集到非零ρ_THE。|ρ_THE|最大值10 K、4 kOe处达36 nΩ·cm，大于MBE生长薄膜(10 nΩ·cm)[9]、体相(4.5 nΩ·cm)[32]、纳米线(15 nΩ·cm)[20]，但与超高真空偏轴磁控溅射生长薄膜相似[25]。

ρ_AHE含斜散射、侧跳、本征三分量。反常霍尔贡献缩放暗示ρ_AHE与动量空间Berry相位相关本征贡献ρ_xx²成正比[33]。图4d绘制20 kOe下ρ_AHE对ρ_xx²关系，显示明显偏离线性依赖。缩放关系破裂表明反常霍尔效应与多晶MnSi样品杂质缺陷引起外在斜散射和侧跳贡献相关，致使斯格明子相在更宽温度磁场范围稳定。

结论

总之，演示常规磁控溅射相对低真空腔在Al₂O₃上生长MnSi薄膜方法。开发简便制备各种纳米结构方法至关重要[34,35]。光谱和形貌分析确认沉积MnSi薄膜多晶性质、高度均匀低粗糙表面。输运性质展现MnSi本征特征，尽管磁转变温度略低于前文结果。更重要观测到宽温度磁场范围稳定斯格明子相，甚至多晶MnSi薄膜，归因于霍尔电阻率贡献复杂含义。此工作为超越制备单晶或外延薄膜负担、广泛研究宿主斯格明子相材料提供机会。