Spin-Orbitronik in epitaktischen CuMnSb/NiMnSb halb-Heusler Heterostrukturen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Spin-Orbit-Torque (SOT) Effekte werden von Ladungsströmen verursacht, die beim Durchgang durch Materialien mit starker Spin-Bahn-Kopplung spinpolarisiert werden. Konzeptionell verspricht SOT eine energieeffiziente und schnelle Manipulation der magnetischen Ordnung in spintronischen Bauteilen. Ziel des Projekts war es, Spintronik- und SOT-Effekte in solchen antiferromagnetischen/ferromagnetischen Heterostrukturen zu untersuchen, die die Halb-Heusler-Verbindungen CuMnSb (AFM) und NiMnSb (FM) enthalten. Heusler-Materialien spielen eine immer wichtigere Rolle auf dem wachsenden Gebiet der antiferromagnetischen Spintronik. Ein Vorteil gegenüber anderen Materialien ist die vielfältige Einstellbarkeit ihrer Eigenschaften. CuMnSb wurde bisher nur als Volumenkristall synthetisiert. Während dieses Projekts haben wir einen Molekularstrahl-Epitaxie-Prozess für dünne CuMnSb-Schichten mit hoher Kristallqualität entwickelt und den Einfluss der Wachstumsbedingungen auf strukturelle, magnetische und elektronische Eigenschaften der Filme detailliert untersucht. Ein wesentliches Ergebnis war, dass CuMnSb-Filme mit stöchiometrischer Materialzusammensetzung die höchste antiferromagnetische Phasenübergangstemperatur (62 K) aufweisen. Während diese Temperatur für Anwendungen zu niedrig ist, ist sie im Labor einfach zugänglich. Dies macht CuMnSb zu einem besonders geeigneten Modellsystem für die Untersuchung von Effekten unterhalb und im Übergangsbereich der antiferromagnetischen Ordnung. Um das strominduzierte Schalten des magnetischen Ordnungsparameters in CuMnSb zu identifizieren, führten wir elektrische Transportexperimente an mikrostrukturierten Bauteilen durch. Obwohl SOT-Schalten für CuMnSb theoretisch vorhergesagt wurde, konnten wir es nicht eindeutig beobachten. Dennoch haben wir (als Voraussetzung für das elektrische Auslesen des magnetischen Zustands) einen anisotropen Magnetowiderstandseffekt in der antiferromagnetischen Phase von CuMnSb identifiziert. Die CuMnSb Schichten wiesen eine geringe Defektdichte auf. Dies wird durch einen niedrigen Wert des Restwiderstands von 35 μΩcm bestätigt. Dieser Wert ist der niedrigste der bisher für CuMnSb veröffentlicht wurde. Mittels Hall-Messungen bestätigten wir Löcherleitung in den CuMnSb-Schichten. In Tunnelbauelementen beobachteten wir den anisotropen Tunnelmagnetowiderstand (TAMR), sowie einen nicht sättigenden Magnetowiderstandseffekt (bis zu 7 T). In Heterostrukturen aus CuMnSb und ferromagnetischen (Übergangsmetall-) Schichten beobachteten wir Austauschkopplung für Ferromagneten mit magnetischer Anisotropie in der Schichtebene. Darüber hinaus wurden epitaktische CuMnSb/NiMnSb-Heterostrukturen mittels Molekularstrahlepitaxie hergestellt. Es stellte sich heraus, dass die Realisierung scharfer Grenzflächen durch Interdiffusion von Cuund Ni-Atomen zwischen den beiden Halb-Heusler-Schichten selbst bei sehr niedrigen Wachstumstemperaturen verhindert wird. Dennoch beobachteten wir Hinweise auf den Exchange-Bias-Effekt in den CuMnSb/NiMnSb-Heterostrukturen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Magnetic properties and transport investigations of antiferromagnetic CuMnSb thin films, poster presentation at the workshop on Antiferromagnetic spintronics (from topology to neuromorphic computing) 2019, JGU MITP, Mainz, Germany
S. Banik, L. Scheffler, K. Gas, M. Kamp, J. Knobel, C. Schumacher, C. Gould, M. Sawicki, J. Kleinlein, L. W. Molenkamp
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Magnetic properties of antiferromagnetic CuMnSb epitaxial thin films investigated by SQUID magnetometry, poster presentation at the workshop on Antiferromagnetic spintronics (from topology to neuromorphic computing) 2019, JGU MITP, Mainz, Germany
K. Gas, L. Scheffler, S. Banik, J. Knobel, C. Schumacher, C. Gould, J. Kleinlein, L. W. Molenkamp, M. Sawicki
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Molecular beam epitaxy and characterization of the half-Heusler antiferromagnet CuMnSb, poster presentation at the 20th European Workshop on Molecular Beam Epitaxy – EuroMBE, Lenggries, Germany, 2019
L. Scheffler, C. Schumacher, C. Gould, J. Kleinlein, Laurens W. Molenkamp
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Molecular beam epitaxy of the half-Heusler antiferromagnet CuMnSb, poster presentation at the workshop on Antiferromagnetic spintronics (from topology to neuromorphic computing) 2019, JGU MITP, Mainz, Germany.
Lukas Scheffler; K. Gas; S. Banik; M. Kamp; J. Knobel; C. Schumacher; C. Gould; M. Sawicki; J. Kleinlein & L. W. Molenkamp
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Molecular beam epitaxy of the half-Heusler antiferromagnet CuMnSb. Physical Review Materials, 4(11).
Scheffler, L.; Gas, K.; Banik, S.; Kamp, M.; Knobel, J.; Lin, H.; Schumacher, C.; Gould, C.; Sawicki, M.; Kleinlein, J. & Molenkamp, L. W.
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Bulk-like magnetic properties in MBE-grown unstrained, antiferromagnetic CuMnSb. Applied Physics Letters, 121(1).
Scheffler, L.; Werther, J.; Gas, K.; Schumacher, C.; Gould, C.; Sawicki, M.; Kleinlein, J. & Molenkamp, L. W.
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Molecular beam epitaxy of the half-Heusler antiferromagnet CuMnSb, oral presentation at the 2022 Joint European Magnetic Symposia in Warsaw, Poland
L. Scheffler, K. Gas, M. Kamp, C. Schumacher, C. Gould, M. Sawicki, J. Kleinlein, and L. W. Molenkamp
