Comportamento magnético e magnetotransporte eletrônico de filmes finos de MnGa sobre substratos de GaAs

Abstract

Resumo: Neste trabalho descrevemos a fabricação de filmes finos da liga MnGa sobre superfícies com orientações cristalográficas distintas de substratos comerciais de GaAs usando a técnica de epitaxia de feixe molecular e investigamos suas propriedades estruturais, magnéticas e de magnetoransporte. Os filmes de MnGa com a razão Mn:Ga na proporção 1:1 e espessura de cerca de 10 nm exibem uma fase do tipo zinco-blenda com distorção tetragonal que preserva relações epitaxiais com planos cristalinos (111)B e (001) com padrão de reconstrução (1x1) e terminações rica em arsênio dos substratos de GaAs. Além disso, ambos os filmes de MnGa apresentam estrutura cristalina tetragonal de face centrada com uma texturização onde os planos cristalinos (111) encontram-se preferencialmente alinhados com as superficies (111) e (001) dos substratos de GaAs. Camadas de MnGa crescidas sobre substratos GaAs(001) e GaAs(111)B apresentam ambas campos coercivos da ordem de 20 kOe , mas os valores de suas magnetizações de saturação são 456 emu / cm3 (equivalente a 1,3 B por átomo de Mn) e 764 emu / cm3 (equivalente a 2,2 B por átomo de Mn), respectivamente, que ademais indicam comportamentos metálico e semicondutor, respectivamente. Os valores distintos de magnetização de saturação e a drástica alteração do comportamento condutor são decorrentes da presença de desordem estrutural e desordem química (defeitos de anti-sítio) distintas. Medidas de magnetização e de magnetotransporte foram usadas para determinar as contribuições dos mecanismos de espalhamento simétrico ("side-jump") e assimétrico ("skew-scattering") que foram comparadas com os valores intrínsecos previstos por cálculos de primeiros princípios baseados na teoria do funcional da densidade (DFT). A contribuição intrínseca prevista para a condutividade Hall anômala devido à curvatura de Berry sobre a superfície de Fermi mostrou-se em muito bom acordo com o valor de 127 ( cm) 1 observado em baixa temperatura. Os valores elevados de coercividade, de magnetização e resistividade Hall à 300K permitem atribuir aos filmes da liga MnGa um alto potencial tecnológico para aplicações em dispositivos spintrônicos. Palavras-chave: Ligas Mn-Ga, efeito Hall anômalo, espalhamento dependente de spin, curvatura de Berry.

Abstract: In this work, we describe the preparation of thin films of the MnGa alloys on surfaces with different crystallographic orientations of commercial epi-ready GaAs wafers using the molecular beam epitaxy technique and we investigated their structural, magnetic and magnetotransport properties. MnGa films with Mn:Ga ratio in the 1:1 proportion and thickness of about 10 nm exhibit a zinc-blende phase with tetragonal distortion that preserves epitaxial relationships with (111)B and (001) crystalline planes with (1x1) reconstruction and As-rich terminations of the GaAs substrates. In addition, the MnGa films exhibit bodycentered tetragonal lattice exhibitng a crytalline texture where the (111) planes are preferably aligned in parallel with the (111) and (001) surfaces of the GaAs substrates. MnGa layers grown on GaAs(001) and GaAs(111)B substrates have both coercive fields of about 20 kOe , but their saturation magnetizations are 456 emu / cm3 (equivalent to 1,3 B per atom of Mn) and 764 emu / cm3 (equivalent to 2,2 B per atom of Mn), respectively. The distinct values of the saturation magnetization and many different conducting behavior are due to the presence of distinct structural disorder and chemical disorder (antisite defects). Magnetization and magnetotransport measurements were used to determine of symmetric (side-jump) and asymmetric (skew-scattering) scattering mechanisms contributions that were compared to intrinsic contribution values predicted by first principles calculations based on Density functional theory (DFT). The intrinsic contribution predicted to the anomalous Hall conductivity because Berry curvature on the Fermi surface was found 1 127 cm , value in very good agreement with anomalous Hall conductivity measured at low temperature. The high values of coercivity, magnetization and Hall resistivity at room temperature allow to assign to MnGa films a high technological potential for applications in spintronic devices. Keywords: Mn-Ga alloys, Anomalous Hall effect, spin-dependent scattering, Berry curvature.