Propriedades magnéticas estruturais de filmes finos de MN5GE3 em função da orientação do substrato

Abstract

Resumo: Filmes finos de Mn-Ge foram crescidos sobre substratos de GaAs(111) e GaAs(001) utilizando a técnica de epitaxia por feixes moleculares. Os depósitos foram realizados pelo período de 1 hora com o substrato em uma temperatura de 200 °C. A influência da estequiometria nas amostras foi investigada usando diferentes temperaturas para a célula de efusão de Mn para cada amostra. Medidas de difração de raios X (DRX) revelam as seguintes relações epitaxiais: (001) Mn5Ge3 // (111) GaAs e [110] Mn5Ge3 // [2-1-1] GaAs para as amostras crescidas sobre substratos de GaAs(111), e (111) Mn5Ge3 // (001) GaAs e [-110] Mn5Ge3 // [110] GaAs para as mostras sobre GaAs(001). As amostras crescidas sobre GaAs(001) apresentam um pequeno pico nos resultados de DRX que corresponde ao plano (100) do Mn-Ge, indicando a formação de uma fase secundária. Os resultados da microscopia eletrônica de transmissão de alta resolução indicam que os filmes finos crescidos sobre GaAs(001) possuem no entorno de 70 nm de espessura e são compostas de vários grãos com duas orientações distintas, que correspondem a uma rotação de 90° entorno do eixo [111]. A análise do mapa do manganês feita por microscopia eletrônica de transmissão com filtro de energia indica que todos os grãos são muito similares e que contém aproximadamente a mesma quantidade de manganês distribuída homogeneamente. Uma das amostras crescidas em GaAs(111) tem um ciclo de histerese fora do plano com comportamento que sugere a presença de uma estrutura de domínios do tipo striped. O efeito magnetocalórico encontrado em ambas as famílias de amostras está espalhado em uma faixa de temperatura mais ampla quando comparado com o Mn5Ge3 massivo. Supreendentemente, a magnitude da variação de entropia magnética para nossas amostras é maior que a encontrada em filmes de Mn5Ge3 modificado com Si ou Sb. Este resultado promissor faz do Mn5Ge3 um possível candidato para refrigeração magnética livre de terras-raras.

Abstract: Thin Mn-Ge films were grown on GaAs (111) and GaAs (001) substrates by molecular beam epitaxy. The deposits were made for 1 hour with the substrate at a temperature of 200° C. The influence of stoichiometry on the samples was investigated using different temperatures for the Mn effusion cell for each sample. X-ray diffraction (XRD) measurements reveal the following epitaxial relationships: (001) Mn5Ge3 // (111) GaAs and [110] Mn5Ge3 // [2-1-1] GaAs for samples grown on GaAs(111) substrates, and (111) Mn5Ge3 // (001) GaAs and [-110] Mn5Ge3 // [110] GaAs for the samples on GaAs(001). Samples grown on GaAs(001) show a small peak in XRD results that corresponds to the (100) Mn-Ge plane, indicating the formation of a secondary phase. The results of high-resolution transmission electron microscopy indicate that the thin films are around 70 nm thick and are composed of several grains with two different orientations, which correspond to a 90° rotation around the axis [111]. Analysis of the manganese map by energy-filtered transmission electron microscopy indicates that all grains are very similar and that they contain approximately the same amount of homogeneously distributed manganese. One of the samples grown in GaAs (111) has an out-of-plane hysteresis cycle with behavior that suggests the presence of a striped domain structure. The magnetocaloric effect found in samples grown in both substrates is spread over a wider temperature range when compared to the bulk Mn5Ge3. Surprisingly, the magnitude of the magnetic entropy variation for our samples is greater than that found in Mn5Ge3 films modified with Si or Sb. This promising result makes Mn5Ge3 a possible candidate for rare earth-free magnetic refrigeration.