Estudo de superfície e estrutura cristalina de nanoilhas de MnGaGe magnéticas

Abstract

Resumo: O composto intermetálico ternário MnGaGe foi usado na década de 70 em memórias magneto-ópticas de alta densidade. Atualmente, suas propriedades físicas tais como alta temperatura de Curie, alta polarização de spin no nível de Fermi e alta anisotropia magnetocristalina despertam interesse para uso em nanodispositivos spintrônicos. No presente trabalho é apresentado um estudo abrangente de revestimento de nanoilhas de MnGaGe crescidas pela técnica de epitaxia por feixe molecular sobre a superfície orientada (001) de substratos comerciais de GaAs. O crescimento foi otimizado usando feixes atômicos de gálio (Ga), germânio (Ge) e manganês (Mn) através da superposição sucessiva de camadas de Ga/Ge e Mn com tempos de 1 minuto para cada camada por cerca de 40 minutos no total, enquanto a amostra é mantida à temperatura de 220 ºC e em ambiente de ultra-alto vácuo de 9 x 10-8 mBar. Procedimentos de recozimento da amostra a 500 °C foram realizados. Temos indicações que transformações de fase peritéticas lentas governam o crescimento das ilhas nanométricas. Análise de mapeamento topográfico de superfície pela técnica de microscopia de força atômica, indicam que a altura e a área das nanoilhas crescem de forma covariante, seguindo uma estatística do tipo lognormal bidimensional, condizente com algoritmos estatísticos de reconstrução da função densidade de probabilidade bidimensional que revelam as medianas de área e de altura com valores de 0,0597 µm² e 28,04 nm, respectivamente. A microscopia de força magnética revela nanoilhas com três tipos de contrastes de domínios magnéticos associados ao crescimento adotando orientações cristalográficas preferenciais nas direções [001] e [110] com parâmetros de rede a = 3,9357 Å e c = 5,9045 Å, segundo análise de difração de raios X. A espectroscopia de fotoelétrons excitados por ultravioleta foi utilizada para obter a função trabalho do MnGaGe no valor de 4,11 eV. Análises da varredura por microscopia de força por sonda Kelvin auxiliaram para realçar os contrastes das nanoilhas em relação ao substrato. Relativo ao potencial eletrostático medido, as bordas das nanoilhas possuem uma diferença na intensidade de aproximadamente 25% menor do que seus centros. Paralelamente, o mapeamento de nanodifração identificou possíveis variações dos parâmetros de rede nesta direção radial das nanoilhas, o que altera os limites da estrutura eletrônica relativo ao nível de Fermi do material. Mapeamentos microquímicos da superfície por espectroscopia de raios X por dispersão em energia e fluorescência de raios X identificam que a presença dos átomos de Mn nas nanoilhas, enquanto uma metodologia permitiu também diferenciar o Ga das nanoilhas relativo ao substrato. Análises superficiais de sondagem local indicam a formação do composto com proporções estequiométricas próximas a 1:1:1 para diferentes nanoilhas. Simulações ab initio em conjunto com mapeamento e medidas de espectroscopia Raman obtidas no intervalo de temperaturas entre 20 e 200 °C, revelaram um possível modo vibracional do MnGaGe por volta de 270,4 cm-1, ainda não descrito na literatura. Globalmente, os resultados deste trabalho demonstram que o sistema MnGaGe/GaAs (001) apresenta um grande potencial para aplicações no desenvolvimento de nanodispositivos spintrônicos.

Abstract: The ternary intermetallic compound MnGaGe was used in the 1970s in highdensity magneto-optical memories. Currently, its physical properties such as high Curie temperature, high spin polarization at the Fermi level and high magnetocrystalline anisotropy arouse interest for use in spintronic nanodevices. In the present work, a comprehensive study of the coating of MnGaGe nanoislands grown by the molecular beam epitaxy technique on the (001) oriented surface of commercial GaAs substrates is presented. Growth was optimized using atomic beams of gallium (Ga), germanium (Ge) and manganese (Mn) through successive superposition of layers of Ga/Ge and Mn with times of 1 minute for each layer for about 40 minutes in total, while the sample is maintained at a temperature of 220 ºC and in an ultra-high vacuum environment of 9 x 10-8 mBar. Sample annealing procedures at 500 °C were performed. We have indications that slow perithectic phase transformations govern the growth of nanosized islands. Analysis of surface topographic mapping using the atomic force microscopy technique indicates that the height and area of the nanoislands grow covariable, following a two-dimensional log-normal type of statistics, consistent with statistical algorithms for reconstructing the two-dimensional probability density function which reveals the area and height medians with values of 0.0597 µm² and 28.04 nm, respectively. Magnetic force microscopy reveals nanoislands with three types of magnetic domain contrasts associated with growth adopting preferential crystallographic orientations in the [001] and [110] directions with lattice parameters a = 3.9357 Å and c = 5.9045 Å, according to analysis X-ray diffraction. Ultraviolet photoelectron spectroscopy was used to obtain the work function of MnGaGe at a value of 4.11 eV. Scanned area analysis using Kelvin probe force microscopy helped to highlight the contrasts of the nanoislands in relation to the substrate. Relative to the measured electrostatic potential, the edges of the nanoislands have an intensity difference of approximately 25% smaller than their centers. In parallel, nanodiffraction mapping identified possible variations in the lattice parameters in this radial direction of the nanoislands, which alters the limits of the electronic structure relative to the Fermi level of the material. Microchemical mapping of the surface using energydispersive X-ray spectroscopy and X-ray fluorescence identified the presence of Mn atoms in the nanoislands, while a methodology also allowed differentiating the Ga of the nanoislands relative to the substrate. Local probing surface analyses indicate the formation of the compound with stoichiometric proportions close to 1:1:1 for different nanoislands. Ab initio simulations in conjunction with Raman mapping and spectroscopy measurements obtained in the temperature range between 20 and 200 °C, revealed a possible vibrational mode of MnGaGe around 270.4 cm-1, not yet described in the literature. Overall, the results of this work demonstrate that the MnGaGe/GaAs (001) system has great potential for applications in the development of spintronic nanodevices.