Introducción La espintrónica aprovecha la carga y el espín del electrón para crear nuevos dispositivos electrónicos con mayor velocidad de procesamiento de datos, mayor densidad de integración y menor consumo energético. El Mn5Ge3 es un compuesto ferromagnético con una temperatura de Curie de 296 K y alta polarización de espín [1-4]. Este compuesto se ha sintetizado en forma de película epitaxiada mediante la técnica Molecular Beam Epitaxy, mediante el proceso Solid Phase Epitaxy sobre sustratos de Ge(111) [5,6]. Sin embargo, para incorporarlo en la tecnología del silicio (CMOS), es necesario encontrar las condiciones necesarias para su crecimiento sobre Ge(001). Objetivos: Estudiar las condiciones para la elaboración de películas de Mn5Ge3 sobre

Ge(001) mediante la técnica de erosión catódica y co-deposito de Mn y Ge a diferentes temperaturas.

Incrementar la temperatura de Curie del compuesto. Identificar la orientación del eje de fácil magnetización en función del espesor. Metodología

Resultados

Síntesis de películas delgadas ferromagnéticas de Ge(001)/Mn5Ge3 utilizando la técnica de erosión catódica

Adriana Alvídrez Lechuga, Trinidad Holguín Momaca, Sion F. Olive Méndez.

Centro de Investigación en Materiales Avanzados S. C.

Pantalla fluorescente

Cañón de electrones

Mn5Ge3

Co-depósito

Promedio en %at.

Mn Ge

550 °C + Recocido 60.29±3 38.45±1.6

250 °C 57.98±3 29.09±2

Co-depósito a 450 °C

Composición %at.

Mn Ge

Promedio 46.67±1.1 31±0.2

AA-16 T=200ºC RMS: 29nm

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

30 40 50 60 70 80

Inte

nsid

ad

2ϴ

AA-16 Sustrato AA-24 AA-41

(002

)

(102

) Mn 5

Ge2 (

231)

(3

-11)

(2

-12)

Ge

(220

)

Ge (3

11)

(202

)

Ge (3

10)

(400

)

(5-1

0)

(004

)

Caracterización en DRX y AFM Se elaboraron dos muestras a 200 y 450ºC, estas se identificaron como AA-16 y AA-41 respectivamente. En la muestra AA-41 existen dos picos intensos (002) y (004) los cuales confirman la obtención del Mn5Ge3. Por su parte las imágenes AFM revelan como el aumento de temperatura origina que los granos en la muestra 450ºC empiezan a coalescer para formar aglomerados más homogéneos y con menor rugosidad.

Ajuste de la presión de operación del sputtering a 3mTorr. Limpieza del sustrato con plasma a 40W, 20min y temperatura ambiente. Observar condiciones de limpieza y co-depósito en la pantalla RHEED. Obtención de la reconstrucción después del recocido del sustrato a 750ºC. Co-depósito de Mn y Ge en un rango de temperaturas de 250-550ºC. Determinación de la potencia de flujos de Mn y Ge con el medidor de espesores.

Sustrato (ánodo)

Target (cátodo)

Fig. 1 Técnica de erosión catódica para la obtención de películas delgadas.

Fig. 2 Análisis de DRX y AFM de las muestras realizadas a 200 y 450°C.

Análisis elemental por EDS de la muestra a 450ºC Los porcientos atómicos resultantes del análisis elemental son muy próximos a los deseados para la obtención del Mn5Ge3, 50% -Mn y 30%-Ge.

Fig. 3 Resultados del análisis elemental EDS.

AA-41 T=450ºC RMS: 22.46nm

Análisis de la imagen de alta resolución (HRTEM) Las imágenes muestran una interface relativamente abrupta entre el sustrato y la película, lo cual confirma que la etapa de limpieza y reconstrucción fue eficiente, permitiendo así el crecimiento de una película altamente cristalina, sin presencia de dislocaciones u otros defectos.

Fig. 4 Sección transversal en alta resolución de una película de Ge(001)/Mn5Ge3, con relación epitaxial [2-25]Mn5Ge3//[110]Ge y una segunda relación epitaxial encontrada [210]Mn5Ge3//[1-10]Ge.

Fig. 5 Vista superior (izq.) y vista lateral del compuesto Mn5Ge3 (der.)

0.2 µm

Ge (001)

Mn6Ge3250°C

Medición de propiedades magnéticas (PPMS) La muestra a 250ºC muestra un comportamiento ferromagnético, lo cual confirma los resultados del análisis EDS que corresponden al compuesto Mn5Ge3. Las muestras a 350, 450 y 550ºC presentan antiferromagnetismo característico del Mn11Ge8.

0

100

200

300

400

500

600

700

0 100 200 300 400

M (e

mu/

cm3 )

Temperatura (K)

250 °C 350 °C 450 °C 550 °C

-150

-100

-50

0

50

100

150

-20000 -10000 0 10000 20000

Mag

netiz

ació

n M

(em

u/cc

)

Campo Magnético H (Oe)

450 C

550 C

Fig. 6 Mapeo EDS realizado a la muestra de 550ºC y análisis elemental de la muestra a 250ºC

Fig. 7 Gráfica de M vs T (izq.) y gráfica de M vs H de la muestra a 450 y 550ºC (der.)

Análisis elemental EDS de la muestras a 550 y 250ºC

Simulación en el programa Carine del compuesto Mn5Ge3

Ar

Referencias [1] Dang Duc Dung, Dorj Odkhuu, Le Thanh Vinh, Soon Cheol Hong, and Sunglae Cho. Appl. Phys. 114, 073906 (2013). [2] N. Stojilovic, S. V. Dordevic, Rongwei Hu, and C. Petrovic. Appl. Phys. 114, 053708 (2013). [3] H. K. Yuan, H. Chen, A. L. Kuang, C. L. Tian, and J. Z. Wang. Chem. Phys. 139, 204307 (2013). [4] A. Spiesser, F. Virot, L.-A. Michez, R. Hayn, S. Bertaina, L. Favre, M. Petit, and V. Le Thanh. Phys. Rev. B 86, 035211 (2012). [5] A. Spiesser, S.F. Olive-Mendez, M.-T. Dau, L.A. Michez, A. Watanabe, V. Le Thanh, A. Glachant, J. Derrien, A. Barski, M. Jamet. Thin Solid Films 518, S113–S117 (2010).

Mn5Ge3 550°C

Conclusiones Se obtuvieron películas continuas de Ge(001)/Mn5Ge3 mediante la técnica de erosión catódica (sputtering), en un rango de temperatura entre 250-550°C; la temperatura fue la principal responsables del crecimiento del tamaño de grano, así como de propiciar la reacción entre el Mn y el Ge. La caracterización de las películas delgadas se realizó mediante diferentes técnicas, con las cuales se estudió el crecimiento cristalino y las propiedades magnéticas del Mn5Ge3, se encontró la presencia de diferentes relaciones epitaxiales del Mn5Ge3:

Mn5Ge3 (5-54) [2-25] // Ge(001) [110] Mn5Ge3 (12-2) [2-10] // Ge(001) [-110]

El estudio de las propiedades magnéticas reveló la obtención de películas ferromagnéticas, principalmente a bajas temperaturas.

6.74

Å Mn5Ge3 4.80Å

- [𝟒𝟒𝟒

]

-

200 °C 450 °C Sustrato Ge(001)

Sputtering