研究目的
在GaAs衬底上合成并表征具有应变C1b对称性的单相Ni0.92Mn1.08As薄膜,研究其外延生长和磁性能,并理解生长温度对这些性能的影响。
研究成果
采用分子束外延技术在GaAs衬底上成功生长出具有应变C1b对称性的单相Ni0.92Mn1.08As薄膜。研究发现Ni0.92Mn1.08As(110)与GaAs(001)之间存在择优外延关系。生长温度对磁性能影响显著,在约370°C的优化温度下可获得最高的居里温度、饱和磁化强度、矫顽场及显著的磁各向异性。X射线吸收谱测量表明这些变化源于Mn原子而非Ni原子的局域电子结构改变。本研究为未来NiMnAs材料及其在自旋电子器件中的应用研究提供了基础性见解。
研究不足
合成的薄膜具有比理论预测更低的居里温度,这可能是由于应变导致的晶格畸变所致。(110)/(001)构型的外延机制尚未完全理解,需要进一步研究。NiMnAs的理论模型可能需要修正。
1:实验设计与方法选择:
采用分子束外延(MBE)技术在GaAs(001)衬底上生长Ni0.92Mn1.08As薄膜。生长过程包括先沉积低温NiMnAs层以消除界面反应,随后通过反射高能电子衍射(RHEED)监控进行高温生长。采用X射线衍射(XRD)、同步辐射测量、能量色散谱仪(EDS)、X射线反射率(XRR)、超导量子干涉仪(SQUID)磁强计和X射线吸收光谱(XAS)进行表征。
2:92Mn08As薄膜。生长过程包括先沉积低温NiMnAs层以消除界面反应,随后通过反射高能电子衍射(RHEED)监控进行高温生长。采用X射线衍射(XRD)、同步辐射测量、能量色散谱仪(EDS)、X射线反射率(XRR)、超导量子干涉仪(SQUID)磁强计和X射线吸收光谱(XAS)进行表征。 样品选择与数据来源:
2. 样品选择与数据来源:使用GaAs(001)衬底。薄膜在不同温度(250、300、330、370和400°C)下生长,固定厚度约30 nm。数据采集自这些样品。
3:370和400°C)下生长,固定厚度约30 nm。数据采集自这些样品。 实验设备与材料清单:
3. 实验设备与材料清单:设备包括MBE系统、RHEED、XRD衍射仪、同步辐射装置、EDS、XRR、SQUID磁强计和XAS装置。材料包括GaAs衬底及用于沉积的Ni、Mn和As源。
4:实验流程与操作步骤:
在约580°C脱附GaAs自然氧化层后,生长150 nm GaAs缓冲层。沉积约0.6 nm低温NiMnAs层并退火至结晶。在指定温度下生长NiMnAs薄膜,覆盖3 nm GaAs?;げ惴乐寡趸?。原位监控RHEED图样。生长后进行XRD、同步辐射测量、EDS、XRR、SQUID和XAS分析。
5:6 nm低温NiMnAs层并退火至结晶。在指定温度下生长NiMnAs薄膜,覆盖3 nm GaAs?;げ惴乐寡趸T患嗫豏HEED图样。生长后进行XRD、同步辐射测量、EDS、XRR、SQUID和XAS分析。 数据分析方法:
5. 数据分析方法:通过XRD数据识别晶体结构;同步辐射数据确认外延关系;EDS提供成分分析;XRR拟合获取厚度和界面平整度;SQUID数据分析磁性能(居里温度Tc、饱和磁化强度Ms、矫顽力Hc);XAS光谱解析局域电子结构。
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Molecular-Beam Epitaxy System
Used for growing epitaxial NiMnAs films on GaAs substrates.
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Reflection High-Energy Electron Diffraction
In situ monitoring of film growth and surface quality.
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X-Ray Diffractometer
Characterizing crystal structure of the films.
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Synchrotron Radiation Setup
High-energy x-ray diffraction for epitaxial configuration analysis.
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Energy Dispersive Spectrometer
Measuring chemical composition of the films.
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X-Ray Reflectivity
Measuring film thickness and interface smoothness.
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Superconducting Quantum Interference Device Magnetometer
Quantum Design
Measuring magnetic properties such as magnetization, Curie temperature, coercive field.
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X-Ray Absorption Spectroscopy
Analyzing local electronic structures of Mn and Ni atoms.
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