Anisotropia e distribuição de momentos magnéticos em filmes finos epitaxiais de Fe100-xGax

Abstract

Resumo: A anisotropia magnetocristalina e a distribuição de momentos magnéticos foram estudadas em filmes finos epitaxiais de Fe100-xGax (x = 15 e 30). O crescimento das amostras, pela técnica de epitaxia por feixes moleculares, iniciou-se a partir da superfície terminada em Zn reconstruída c(2x2) de uma camada tampão de ZnSe (20 nm) crescida sobre substratos de GaAs(001). Os filmes foram crescidos 180 ºC, 320 °C e em 180 °C e depois recozidos em 320 °C por uma hora, resultando em amostras de FeGa orientadas na direção [001] e com estruturas cristalinas do tipo cúbica de corpo centrado distorcidas tetragonalmente ao longo do eixo c do filme com razão c/a variando entre 1,014 e 1,036. As propriedades magnéticas foram estudadas experimentalmente e teoricamente. Foram observadas dependências das anisotropias uniaxiais e dos momentos magnéticos em função da dopagem de Ga e da razão c/a. Medidas de difração de raios-X mostram que a distorção tetragonal da rede cristalina, depende da composição de Ga na liga e que o processo de recozimento relaxa a estrutura. Através da teoria de densidade do funcional foram realizados cálculos para diferentes razões c/a e composições de Ga, cujos resultados reproduzem as tendências e variações observadas experimentalmente nos momentos magnéticos e anisotropia magnetocristalina. Essencialmente, os cálculos teóricos mostram que os átomos de Fe, primeiros vizinhos dos átomos de Ga, sofrem uma forte distorção no campo local de correlação-troca que induz contribuições adicionais para a anisotropia magnetocristalina. Este comportamento observado é realçado quando a composição de Ga é alterada de 15% para 30%. Os cálculos também mostram que as amostras com x = 30, apresentam momento magnético menor, apesar da maior polarização de spin no nível de Fermi. A origem desses comportamentos magnéticos, está na formação de estados d não-ligantes do Fe na sub-banda de spins minoritários e na hibridização dos estados p e d do Ga com os estados d do Fe devido a dopagem de Ga.

Abstract: The magnetocrystalline anisotropy and magnetic moment distribution were studied in epitaxial thin films Fe100-xGax (x = 15 and 30). The samples were grown by molecular beam epitaxy, on a c(2x2)Zn terminated 20 nm ZnSe(001) on GaAs(001) substrate. The films were grown at 180 ºC, 320 °C and at 180 °C and then annealed at 320 °C for one hour, resulting in FeGa samples with [001] orientation with body-centered-cubic crystal structure with tetragonal distortion along the c axis with a/c ratio ranging between 1,014 and 1,036. The magnetic properties were studied experimentally and theoretically. It was observed a dependence of the uniaxial anisotropies and the magnetic moments due to the Ga-doping and the a/c ratio. Measurements of X-ray diffraction showed that the tetragonal distortion of the crystal lattice depends on the composition of the Ga and the annealing process relax the structure. Density functional theory calculations were performed for different c/a ratios and Ga compositions, which reproduce the experimental trends and variations observed in behavior of the magnetocrystalline anisotropies and magnetic moments. Essentially, the theoretical calculations show that the Fe atoms in the first neighborhood of Ga positions, have a strong distortion in the local correlation-exchange field that leads to additional contributions to the magnetocrystalline anisotropy. This observed behavior is enhanced when the Ga composition is altered from 15% to 30%. Theoretical calculations also show that the samples with x = 30 have a lower magnetic moment, despite having higher spin polarization at the Fermi level. The origin of these magnetic behavior is the formation of non-bonding Fe d states on the minority spin channel and the hybridization of Ga p and d states with the Fe d states due to Ga-doping.