Structure, site-specific magnetism, and magnetotransport properties of epitaxial D022 -structure Mn2FexGa

铁磁性 磁化 凝聚态物理 四方晶系 磁性 磁各向异性 结晶学 材料科学 物理 各向异性 化学 磁场 晶体结构 光学 量子力学
作者
Davide Betto,Yong‐Chang Lau,Kiril Borisov,K. Kummer,N. B. Brookes,Plamen Stamenov,J. M. D. Coey,Karsten Rode
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:96 (2) 被引量:16
标识
DOI:10.1103/physrevb.96.024408
摘要

Ferrimagnetic ${\mathrm{Mn}}_{2}{\mathrm{Fe}}_{x}\mathrm{Ga}\phantom{\rule{4pt}{0ex}}(0.26\ensuremath{\le}x\ensuremath{\le}1.12)$ thin films have been characterized by x-ray diffraction, magnetometry, x-ray absorption spectroscopy, x-ray magnetic circular dichroism, and M\"ossbauer spectroscopy with the aim of determining the structure and site-specific magnetism of this tetragonal, $\mathrm{D}{0}_{22}$-structure Heusler compound. High-quality epitaxial films with low root-mean-square surface roughness ($\ensuremath{\sim}0.6$ nm) are grown by magnetron cosputtering. The tetragonal distortion induces strong perpendicular magnetic anisotropy along the $c$ axis with a typical coercive field ${\ensuremath{\mu}}_{0}H\ensuremath{\sim}0.8\phantom{\rule{0.16em}{0ex}}\mathrm{T}$ and an anisotropy field ranging from 6 to 8 T. On increasing the Fe content $x$, substantial uniaxial anisotropy, ${K}_{\mathrm{u}}\ensuremath{\ge}1.0\phantom{\rule{0.16em}{0ex}}{\mathrm{MJ}\phantom{\rule{0.16em}{0ex}}\mathrm{m}}^{\ensuremath{-}3}$, can be maintained over the full $x$ range, while the magnetization of the compound is reduced from 400 to $280\phantom{\rule{0.28em}{0ex}}{\mathrm{kA}\phantom{\rule{0.16em}{0ex}}\mathrm{m}}^{\ensuremath{-}1}$. The total magnetization is almost entirely given by the sum of the spin moments originating from the ferrimagnetic Mn and Fe sublattices, with the latter being coupled ferromagnetically to one of the former. The orbital magnetic moments are practically quenched and have negligible contributions to the magnetization. The films with $x=0.73$ exhibit an anomalous Hall angle of $2.5%$ and a Fermi-level spin polarization above $51%$, as measured by point contact Andreev reflection. The Fe-substituted ${\mathrm{Mn}}_{2}\mathrm{Ga}$ films are tunable with a unique combination of high anisotropy, low magnetization, appreciable spin polarization, and low surface roughness, making them strong candidates for thermally stable spin-transfer-torque switching nanomagnets with lateral dimensions down to 10 nm.
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