Propriedades magnéticas e estruturais de filmes finos de ligas Mn-Ni-Ga crescidas sobre substrato de GaAs

Abstract

Resumo: Neste trabalho descrevemos a caracterização das propriedades estruturais e magnéticas de filmes finos de ligas manganês-níquel-gálio (Mn-Ni-Ga) com estequiometria próxima ao composto Mn2NiGa preparados pela técnica de epitaxia de feixe molecular. A composição química e a estrutura cristalina das amostras foram determinadas através de análises de espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios X e de difração de raios X. Todas as amostras apresentam coexistência de fase estrutural no intervalo de temperatura entre 80 K e 300 K. Em baixa temperatura, predomina a fase martensítica com estrutura tetragonal pertencente ao grupo espacial I4/mmm e, em alta temperatura, predomina a fase austenítica cúbica com uma estrutura cristalina do tipo Heusler inversa. Independentemente da orientação cristalográfica dos substratos monocristalinos de GaAs(100) e GaAs(111) e das condições de crescimento utilizadas, os filmes finos produzidos são policristalinos com texturização indicativa da orientação preferencial de planos cristalográficos (110) paralelos à superfície dos substratos. A coexistência das fases austenita e martensita em filmes finos com estequiometrias Mn2-xNixGa (x = 0; 0,2; 0,4 e 0,6) é dependente da orientação dos substratos de GaAs. Medidas de magnetometria de amostra vibrante realizadas a 300 K revelam que a fase austenítica possui momento magnético entre 0,54 e 1,23 ?B por fórmula unitária. Irreversibilidades magnéticas são observadas em medidas de magnetização em função da temperatura e do campo magnético, e as temperaturas de Curie estimadas são inferiores aos valores relatados na literatura para amostras de ligas massivas de mesma composição. Essas constatações são condizentes com a formação de domínios e variantes cristalográficas nos filmes finos crescidos sobre os substratos de GaAs(100) e GaAs(111). Os parâmetros de rede a e c desses domínios cristalinos tendem à razão c/a = 1,2 e separações interatômicas R entre átomos de Mn são inferiores às observadas em amostras de ligas massivas ordenadas de mesma composição. Admitida a existência de desordem química, as distâncias interatômicas entre átomos de Mn na posição Mn e átomos Mn na posição Ni (antisítios) correspondem a razões R/a entre 0,8 e 0,5, respectivamente. Cálculos ab initio da estrutura eletrônica de ligas ordenadas e desordenadas relatados na literatura indicam que valores R/a < 0,8 alteram fracamente as interações ferromagnéticas, mas intensificam fortemente acoplamentos de troca antiferromagnéticos entre momentos magnéticos. Efetivamente, isso reduz o momento magnético total por célula unitária e também a temperatura Curie, que é proporcional à magnitude da constante de acoplamento de troca efetiva no material decorrente da superposição dos orbitais atômicos dos sítios magnéticos vizinhos mais próximos. Nessa tese demonstra-se a viabilidade do crescimento de filmes finos de ligas Mn-Ni-Ga ricas em Mn com propriedades estruturais e magnéticas bastante distintas de amostras massivas com igual composição. Os presentes resultados e análises demonstram a importância e relevância da pesquisa básica para uma compreensão mais profunda do processo de integração dos filmes finos de ligas Mn-Ni-Ga ricas em Mn sobre substratos comerciais, visto seu amplo potencial para aplicações multifuncionais como micro- e nanoatuadores, e sensores.

Abstract: In this work are described the structural and magnetic properties of manganese-nickel-gallium (Mn-Ni-Ga) alloy thin films with stoichiometry close to Mn2NiGa prepared by molecular beam epitaxy technique. The chemical composition and crystalline structure of the samples were determined by X ray photoelectron spectroscopy and X-ray analyses. The samples exhibit structural phase coexistence in the temperature interval between 80 K and 300 K. At low temperatures, martensitic phase with tetragonal structure having spatial group I4/mmm is predominant, whereas at high temperatures is observed the cubic austenitic phase which crystalline structure is an inverse Heuler structure. Whatever is the crystallographic orientation of the monocrystalline GaAs(100) e GaAs(111) substrates and the growth conditions investigated, the thin films are polycrystalline with a crystalline texture corresponding to the preferential orientation of the (110) crystalline planes parallel to the substrate surface. The coexistence of austenite and martensite phases in the alloy films with stoichiometry Mn2-xNixGa (x = 0, 0.2, 0.4 e 0.6) depends on the GaAs substrate orientations. Measurements of vibrating sample magnetometry performed at 300 K reveal austenite phases having magnetic moments between 0.54 e 1.23 ?B per formula unit. Magnetic irreversibilities are observed in the curves of magnetization versus temperature and magnetic fields, with the Curie temperature estimates lower than values reported on literature for bulk alloys with similar compositions. These findings are consistent with the formation of crystalline domains and crystallographic variants in the films grown on the GaAs(100) and GaAs(111) substrates. The lattice parameters a e c in the crystalline domains tend to the ratio c/a = 1.2 and interatomic separations R between Mn atoms are lower than those observed in ordered bulk alloys with the same composition. By assuming the presence of chemical disorder in the films, the interatomic distances between Mn atoms occupying the Mn position and Mn atoms occupying Ni positions (antisites) leave to R/a ratios between 0.8 e 0.5, respectively. According to ab initio electronic structure calculations of the ordered and disorder alloys reported in the literature values of R/a < 0.8 weakly affect the ferromagnetic interactions, but strongly increases the strength of both the antiferromagnetic exchange coupling between magnetic moments. As a consequence, it occurs a loss of the total magnetic moment per unit cell as well as a reduction of Curie temperature, which is proportional to the magnitude of the effective exchange coupling constant in the material owing to the atomic orbital overlapping between nearest neighbor magnetic sites. This work demonstrates the feasibility to prepare thin films of Mn-rich Mn-Ni-Ga alloys with structural and magnetic properties rather distinct than bulk alloys with similar composition. The present results and analyses demonstrate the importance and relevance of the basic research to a deeper understanding of the integration process of the Mn-rich Mn-Ni-Ga alloy thin films on commercial substrates in view of their wide potential for multifunctional applications as micro- and nano-actuators and sensors.