Mn3Sn薄膜的磁光特性研究

安志强 王 海

(首都师范大学物理系，北京 100048)

0 引 言

磁光克尔角(θk)在一阶近似下与材料的磁化强度成正比．反铁磁材料的磁化强度小，通常只有小的θk．近年来，研究显示非共线型反铁磁材料Mn3Sn表现出可与铁磁性材料相比拟的磁光克尔效应[1]．电输运测量以及理论计算也揭示了Mn3Sn的非正常霍尔效应异常[2-13]．研究者认为在这类材料中出现大θk不是源自材料的磁化，而是由于动量空间增强的Berry曲率所导致，并推测磁性Weyl费米子的存在是Berry曲率增强的起源[1-5]．目前，报道的Mn3Sn薄膜以非连续形态[6]和多晶[7-8]样品居多．晶格的不完整和取向的混乱对于动量空间Berry曲率影响较大，不利于Mn3Sn薄膜本征拓扑特性的研究．本文采用超高真空分子束外延设备制备Mn3Sn薄膜样品，并用X射线衍射谱测量样品的取向，同时采用旋转磁光法对样品的θk进行了测量，采用Stoner-Wohlfarth模型对旋转磁光法获得的曲线进行拟合，并通过与Mn薄膜的实验数据对比，对Mn3Sn薄膜的θk和磁各向异性来源进行分析和讨论．

1 实 验

1.1 实验装置

采用KYKY-C500磁控溅射及超高真空电子束-分子束联合沉积平台中的磁控溅射室和分子束外延室制备薄膜样品，分子束外延腔室结构如图1所示．分子束外延腔室外接机械泵、分子泵、离子泵和钛泵泵组系统．腔室底部有3个与腔体中心轴倾斜角为20°的束源炉，形成3个束源炉共聚焦设计．每个束源炉温度最高可达1 800℃，内置氮化硼坩埚．样品台最大升降距离为10.0 cm．

图1 实验装置

样品的纵向磁光克尔效应采用英国Durham公司的表面磁光克尔效应测试系统(NanoMOKE3)进行测量，结果如图2所示．样品置于一个可旋转样品台上，样品膜面内所施加的磁场最大可达1 200 Gs(1 A/m=4π×10-3Gs)．入射的S偏振光波长为660 nm，入射角为45°．通过对反射和入射光的锁相放大，得到反射光波偏振面相对于入射光波偏振面的偏转角度，即θk．选取最大磁光克尔角(θmax)为测量起点，在0～360°内旋转样品，并测量所对应的θk值，绘制旋转角度α与一定磁场下θk的关系，获得θk-α曲线．

图2 表面磁光克尔效应测试系统原理

1.2 样品制备

基底制备．本实验选择单面抛光的N型高阻单晶硅片为基底，其晶向为(001)，直径和厚度分别为(50.8±0.2)mm和(500.0±20.0)μm．实验前对硅基片进行清洁处理，过程如下：将硅基片依次放入丙酮、酒精中各超声3 min；清洗过的硅基片用氮气吹干，放置到磁控溅射室的旋转样品台上；其中样品距离靶材约21.0 cm，腔室本底真空<3.0×10-5Pa；在功率为200 W，Ar流量为6 mL/min，工作压强为0.3 Pa 的情况下，利用射频溅射氧化铝靶材(纯度为99.99%，规格为60.0 mm×5.0 mm)在硅基片上沉积35 min的Al2O3，获得厚度约为30.0 nm的Al2O3缓冲层；随后，将Al2O3/Si基底转移到分子束外延腔室，进行Mn3Sn薄膜的制备，其中，腔室本底真空<3.0×10-7Pa，样品台与束源炉间距30.0 cm．

Mn3Sn薄膜样品制备．在超高真空分子束外延腔室中室温沉积Mn(16.0 nm)/Sn(18.0 nm)/Mn(16.0 nm)多层膜．Mn源加热到800℃，沉积90 min，随后关闭Mn源挡板．Sn源加热到1 100℃，沉积10 min，再关闭Sn源挡板，打开Mn源挡板，继续沉积90 min．随后进行3 h的原位退火，温度为500℃，使Mn与Sn充分互扩散，形成Mn3Sn薄膜，结构如图3所示，厚度为50.0 nm．

图3 Mn3Sn薄膜制备方案与结构

2 结果与讨论

Mn3Sn是六角反铁磁结构(空间群P63/mmc)，沿(0001)面ABAB堆叠．其(0001)面由Mn磁矩的Kagome晶格组成[14-15]．在Néel温度TN≈430 K以下，呈反三角自旋结构，即面内Mn磁矩呈120°的具有均匀矢量手性的自旋结构，这是由于几何阻错导致的．在(0001)面内，除了这个主要的反三角自旋磁序外，面内磁矩的微微倾斜可以产生一个沿磁性易轴方向约0.002 μB/Mn的净余磁矩．

Mn3Sn薄膜的高分辨率扫描电子显微镜图如图4(a)所示．表面呈现不连续状，局域有脱附严重的现象，这是由于退火温度太高，Mn与Sn的脱附率过大导致的．通过能量色散X射线能谱(EDS)测试分析，薄膜化学计量数之比估计为Mn3.29Sn，这是因为过量的Mn随机取代Sn位，才能形成稳定的Mn3Sn相[2,15-16]．为了确认Mn3Sn薄膜的结构，进行了X射线衍射测试．图4(b)蓝色曲线是Si/Al2O3/Mn3Sn薄膜的X射线衍射图，下方红色曲线是基底Si/Al2O3的X射线衍射图，通过二者对比可知，Mn3Sn薄膜的X射线衍射图中除了2θ=39.70°的衍射峰外，其余均为基底峰．而Si/Al2O3基底中2θ=30.00°的小衍射峰在Mn3Sn薄膜的X射线衍射图中没有出现，这是因为沉积的 Mn3Sn 对其有影响．Mn3Sn薄膜的X射线衍射图中衍射峰2θ=39.70°与Mn3Sn标准卡(PDF#65-5773)中(0002)取向所对应的2θ=39.76°仅差0.06°，说明样品与Mn3Sn的(0002)取向良好匹配，而且样品中(0002)取向对应的X射线衍射峰的信噪比与文献接近[6-8]．

图4 表征结果

利用旋转磁光法获得Mn3Sn薄膜在外磁场为1 200 Gs 时的θk-α散点图，如图5(a)所示．θk-α数据在0～360°内近似为余弦关系，在180°左右出现一次极小值，说明样品具有单轴单向磁各向异性．θmax达到20 mdeg，这与Higo等[1]在Mn3Sn单晶块材中获得的结果接近．

图5 Mn3Sn薄膜在外磁场的散点

利用Stoner-Wohlfarth模型对Mn3Sn薄膜的θk/θmax-α曲线进行拟合．在外磁场中，磁性薄膜的总能量(Etol)分为2份，即磁各向异性能(EK)和外磁场能(EH)：

Etol=EK+EH=K1sin2ψ+
K2sin4ψ-μ0MsHcos(α-ψ)，

(1)

式中K1和K2分别代表一阶和二阶的磁各向异性常数，ψ是易轴与饱和磁化强度(Ms)的夹角，H代表外磁场，α是易轴与H的夹角．磁性薄膜的磁化强度稳定时，系统的总能量最小(在数学上，能量的极小值表示能量的一阶导数为0，二级导数>0)，一阶近似下忽略K2，则有

(2)

(3)

在几何配置上，磁化强度(M)在外场方向的分量是

M=Mscos(α-ψ).

(4)

在一阶近似的情况下，M正比于θk，所以有

θk=θmaxcos(α-ψ).

(5)

拟合结果如图5(b)所示，曲线为根据Stoner-Wohlfarth模型拟合的Mn3Sn薄膜的θk/θmax-α曲线，数据点为Mn3Sn薄膜θk/θmax-α散点．拟合采用文献所报道的MS=8×103A/m[12-13]，得到样品的K1=3.75×103J/m3，比通常的铁磁性材料Fe和Co薄膜的磁各向异性常数小约一个量级，与Ni薄膜的磁各向异性常数接近[17]．Mn3Sn是非共线型反铁磁结构，在(0002)面具有净余磁矩．如图4(a)所示，薄膜样品的品质并不良好，样品中的单轴单向磁各向异性的来源与Mn3Sn的内秉磁结构联系不密切．若样品中存在尚未完全反应的Mn单质，则单轴单向磁各向异性有可能来源于这个净余磁矩与共线型反铁磁结构Mn之间的铁磁-反铁磁耦合[18]．如图4(b)所示，从Mn3Sn薄膜的X射线衍射图中并未观察到与Mn对应的衍射峰，这表明未完全反应的Mn单质并没有良好的成相，而是与Mn3Sn混杂在一起．推测在Mn3Sn薄膜中具有铁磁性的Mn3Sn颗粒与反铁磁构型的Mn的小晶粒通过界面形成铁磁-反铁磁耦合，才使得实验中的Mn3Sn薄膜呈现单轴单向磁各向异性．

为阐明Mn3Sn薄膜磁光和磁性的来源，本文制备了单质Mn薄膜，并做了测量分析．16.0 nm厚的单质Mn薄膜沉积在Al2O3(30.0 nm)/Si基底上，其制备条件与Mn3Sn薄膜中的Mn层制备条件一致．室温沉积后，在100℃对Mn薄膜进行了3 h的原位退火．Si/Al2O3/Mn薄膜和Si/Al2O3基底的X射线衍射图如图6所示，根据X射线衍射峰对比，二者衍射峰位完全一致，由此可知Mn薄膜此时也没有良好的成相．

图6 Si/Al2O3/Mn与Si/Al2O3的X射线衍射谱

为了对比Mn3Sn薄膜的数据，绘制了Mn薄膜在0～360°的θk-α散点图，如图7(a)所示，其中外磁场为1 200 Gs．θk随α变化时在180°附近出现一次最小值，与Mn3Sn薄膜样品的测量结果类似．这表明所制备的厚度为16.0 nm的 Mn膜呈单轴单向磁各向异性．非晶结构的超薄Mn膜中磁结构不完整，有可能存在局域反铁磁相Mn与杂散磁矩之间的界面相互作用，导致铁磁-反铁磁耦合出现，从而出现单轴单向磁各向异性．图5(a)和图7(a)的实验数据也表明，在Mn3Sn和Mn薄膜样品中可能存在相似的铁磁-反铁磁混相，从而导致出现单轴单向磁各向异性．图7(a)中，Mn膜的θmax约为18 mdeg，仅略小于Mn3Sn薄膜样品的θmax．说明不能简单的将在图5(a)中所观测到的较大θk归结于Mn3Sn薄膜特殊的磁结构或能带中的Berry曲率异常．这些结果与Higo等[1]在单晶样品中所得出的结论不同．

为从实验上进一步证实样品中Mn的杂散磁矩是Mn3Sn薄膜样品中单轴单向磁各向异性和较大磁光克尔效应的主要来源，对厚度为16.0 nm的Mn膜进行了大气环境的短时间低温退火处理(100℃，2 h 30 min)．Mn在空气中易氧化，低温退火会使得部分锰氧化物出现，从而破坏原有的反铁磁结构，增加杂散磁矩．一些锰氧化物(如Mn3O4等)还具有亚铁磁或铁磁结构[19]．这些都有可能会使得退火后的Mn膜磁矩增加，进而改变Mn膜的θk．图7(b)为大气氛围低温退火后Mn膜在外磁场为1 200 Gs时的θk-α散点图，其单轴单向磁各向异性与图7(a)中真空制备的Mn膜类似，样品的θmax约为25 mdeg，比真空制备的Mn膜略高，这可在一定程度上说明图5(a)中Mn3Sn膜的较大θk可能来自于Mn的杂散磁矩．

图7 不同薄膜的散点

3 结 论

本文首次利用超高真空分子束外延方法来制备Mn3Sn薄膜，获得θk=20 mdeg的呈单轴单向磁各向异性的Mn3Sn(0002)取向薄膜．通过对θk/θmax-α曲线进行拟合，得到K1=3.75×103J/m3．通过与Mn膜及其氧化物的θk-α数据对比，不能排除样品制备过程中未完全反应的Mn以及样品氧化对Mn3Sn薄膜样品的大θk的贡献．这说明在制备Mn3Sn薄膜样品时，Mn杂散磁矩对其磁性的影响应进一步深入分析．