STRUCTURE AND MAGNETIC PROPERTIES OF THIN HEMATITE FILMS ON THE с-Al2O3 SUBSTRATES

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The structural and magnetic properties of hematite (α-Fe₂O₃) thin films with thicknesses ranging from 5 to 250 nm, grown by magnetron sputtering on c-Al₂O₃ substrates, have been investigated. The evolution of the lattice parameters with increasing film thickness has been analyzed. Experimental results show that the in-plane lattice parameters and the corresponding mechanical strain, arising from the lattice mismatch between the film and the substrate, gradually decrease with increasing film thickness. It is demonstrated that the Morin transition disappears as the thickness decreases from 250 to 162 nm and is not observed in thinner films. The magnetization continuously decreases with decreasing film thickness. Ab initio calculations of the structural parameters were performed, highlighting the importance of taking structural defects into account to describe adequately the observed trends.

About the authors

A. P. Nosov

Institute of Physics of Metals, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: nossov@imp.uran.ru
Ekaterinburg, 620108 Russia

I. A. Subbotin

National Research Center Kurchatov Institute

Email: nossov@imp.uran.ru
Russian Federation, Moscow, 123182 Russia

M. A. Chuev

Valiev Division for Research in Physics and Technology, NRC Kurchatov Institute

Email: nossov@imp.uran.ru
Russian Federation, Moscow, 117218 Russia

A. O. Belyaeva

National Research Center Kurchatov Institute

Email: nossov@imp.uran.ru
Russian Federation, Moscow, 123182 Russia

O. A. Kondratev

National Research Center Kurchatov Institute

Email: nossov@imp.uran.ru
Russian Federation, Moscow, 123182 Russia

E. A. Ganshina

Faculty of Physics, Lomonosov Moscow State University

Email: nossov@imp.uran.ru
Russian Federation, Moscow, 119991 Russia

I. M. Pripechenkov

Faculty of Physics, Lomonosov Moscow State University

Email: nossov@imp.uran.ru
Russian Federation, Moscow, 119991 Russia

S. S. Dubinin

Institute of Physics of Metals, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: nossov@imp.uran.ru
Russian Federation, Ekaterinburg, 620108 Russia

A. O. Shorikov

Institute of Physics of Metals, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: nossov@imp.uran.ru
Russian Federation, Ekaterinburg, 620108 Russia

V. V. Izyurov

Institute of Physics of Metals, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: nossov@imp.uran.ru
Russian Federation, Ekaterinburg, 620108 Russia

K. A. Merencova

Institute of Physics of Metals, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: nossov@imp.uran.ru
Russian Federation, Ekaterinburg, 620108 Russia

M. S. Artemiev

Institute of Physics of Metals, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Email: nossov@imp.uran.ru
Russian Federation, Ekaterinburg, 620108 Russia

E. M. Pashaev

Institute of Physics of Metals, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: nossov@imp.uran.ru
Russian Federation, Ekaterinburg, 620108 Russia

References

  1. Han J., Cheng R., Liu L., Ohno H., Fukami S. Coherent antiferromagnetic spintronics // Nature Materials. 2023. V. 22. P. 684–695.
  2. Gomonay H.V., Loktev V.M. Spin transfer and current induced switching in antiferromagnets // Phys. Rev. B. 2010. V. 81. No. 14. P. 144427.
  3. Gomonay E.V., Loktev V.M. Spintronics of antiferromagnetic systems // Low Temperature Phys. 2014. V. 40. No. 1. P. 17–35.
  4. Cheng R., Xiao D., Brataas A. Terahertz Antiferromagnetic Spin Hall Nano-oscillator // Phys. Rev. Letters. 2016. V. 116. No. 20. P. 207603.
  5. Wadley P., Howells B., Železný J., Andrews C., Hills V., Campion R.P., Novák V., Olejník K., Maccherozzi F., Dhesi S.S., Martin S.Y., Wagner T., Wunderlich J., Freimuth F., Mokrousov Y., Kuneš J., Chauhan J.S., Grzybowski M.J., Rushforth A.W., Edmonds K.W., Gallagher B.L., Jungwirth T. Electrical switching of an antiferromagnet // Science. 2016. V. 351. No. 6273. P. 587–590.
  6. Sulymenko O.R., Prokopenko O.V., Tiberkevich V.S., Slavin A.N., Ivanov B.A., Khymyn R.S. Terahertz-Frequency Spin Hall Auto-oscillator Based on a Canted Antiferromagnet // Phys. Rev. Appl. 2017. V. 8. P. 064007.
  7. Safin A.R., Nikitov S.A. Nonlinear dynamics of an antiferromagnetic spintronic oscillator // Radiophys. Quantum Electronics. 2019. V. 61. No. 11. P. 834–840.
  8. Acosta E. Thin Films/Properties and Applications. Thin Film. IntechOpen, 2021.
  9. Vasiliev A.L., Subbotin I.A., Belyaeva A.O., Chesnokov Yu.M., Izyurov V.V., Merentsova K.A., Artemiev M.S., Dubinin S.S., Nosov A.P., Pashaev E.M. Microstructure Features of Yttrium Orthoferrite Thin Films on Sapphire // Phys. Met. Metal. 2024. V. 125. No. 1. P. 64–77.
  10. Chesnokov Yu.M., Vasiliev A.L., Prutskov G.V., Pashaev E.M., Subbotin I.A., Kravtsov E.A., Ustinov V.V. Microstructure of periodic metallic magnetic multilayer systems // Thin Solid Films. 2017. V. 632. P. 79–87.
  11. Subbotin I.A., Pashaev E.M., Vasilev A.L., Chesnokov Yu.M., Prutskov G.V., Kravtsov E.A., Makarova M.V., Proglyado V.V., Ustinov V.V. The Influence of Microstructure on Perpendicular Magnetic Anisotropy in Co/Dy Periodic Multilayer Systems // Phys. B: Condensed Matter. 2019. V. 573. P. 28–35.
  12. Nix W.D. Mechanical properties of thin films // Metal. Trans. A. 1989. V. 20. P. 2217–2245.
  13. Nix W.D. Metallic thin films: stresses and mechanical properties / Metal. Films for Electronic, Optical and Magnetic Applications. Woodhead Publishing, 2014. P. 353–421.
  14. Kasap S., Capper P. Springer Handbook of Electronic and Photonic Materials. Cham: Springer International Publishing AG, 2017. 1542 p.
  15. Arora N.D., Hauser J.R., Roulston D.J. Electron and hole mobilities in silicon as a function of concentration and temperature // IEEE Trans. on Electron Devices. 1982. V. 29. P. 292–295.
  16. Seto J.Y.W. The electrical properties of polycrystalline silicon films // J. Appl. Phys. 1975. V. 46. P. 5247–5254.
  17. Aronzon B.A., Kovalchuk M.V., Pashaev E.M., Chuev M.A., Kvardakov V.V., Subbotin I.A., Rylkov V.V., Pankov M.A., Likhachev I.A., Zvonkov B.N., Danilov Yu.A., Vihrova O.V., Lashkul A.V., Laiho R. Structural and transport properties of GaAs/δ-Mn/GaAs/InxGa1−xAs/GaAs quantum wells // J. Phys.: Condensed Matter. 2008. V. 20. No. 14. P. 145207.
  18. Ding G., Clavero C., Schweigert D., Le M. Thickness and microstructure effects in the optical and electrical properties of silver thin films // AIP Advances. 2015. V. 5. P. 117234.
  19. Ignatiev A., O'Neill P., Zajac G. The surface microstructure optical properties relationship in solar absorbers: black chrome // Solar Energy Mater. 1979. V. 1. P. 69–79.
  20. Alhassan S.S., de Souza D., Alhassni A., Almunyif A., Alotaibi S., Almalki A., Alhuwayz M., Kazakov I.P., Klekovkin A.V., Tsekhosh V.I., Likhachev I.A., Pashaev E.M., Souto S., Gobato Y.G., Al Saqri N., Galeti H.V.A., Al mashary F., Albalawi H., Alwadai N., Henini M. Investigation of the effect of substrate orientation on the structural, electrical and optical properties of n-type GaAs1-xBix layers grown by Molecular Beam Epitaxy // J. Alloys Compounds. 2021. V. 885. P. 161019.
  21. Artman J.O., Murphy J.C., Foner S. Magnetic Anisotropy in Antiferromagnetic Corundum-Type Sesquioxides // Phys. Rev. 1965. V. 138. P. 912–917.
  22. Fujii T., Takano M., Kakano R., Isozumi Y., Bando Y. Spin-flip anomalies in epitaxial α-Fe2O3 films by Mossbauer spectroscopy // J. Magn. Magn. Mater. 1994. V. 135. P. 231–236.
  23. Gota S., Gautier-Soyer M., Sacchi M. Magnetic properties of Fe2O3 (0001) thin layers studied by soft x-ray linear dichroism // Phys. Rev. B. 2001. V. 64. No. 22. P. 224407.
  24. Andreeva M., Baulin R., Nosov A., Gribov I., Izyurov V., Kondratev O., Subbotin I.A., Pashaev E. Mössbauer synchrotron and X-ray studies of ultrathin YFeO3 films // Magnetism. 2022. V. 2. No. 4. P. 328–339.
  25. Zubov V.E., Krinchik G.S., Lyskov V.A. Magneto-optical properties of hematite // Sov. Phys. JETP. 1981. V. 54. No. 4. P. 789.
  26. Perdew J.P., Burke K., Ernzerhof M. Generalized gradient approximation made simple // Phys. Rev. Letters. 1996. V. 77. No. 18. P. 3865–3868.
  27. Anisimov V.I., Zaanen J., Andersen O.K. Band theory and Mott insulators: Hubbard U instead of Stoner I // Phys. Rev. B. 1991. V. 44. No. 3. P. 943–954.
  28. Anisimov V.I., Aryasetiawan F., Lichtenstein A.I. First-principles calculations of the electronic structure and spectra of strongly correlated systems: the LDA+U method // J. Phys.: Condensed Matter. 1997. V. 9. No. 4. P. 767–808.
  29. Mazurenko V.V., Anisimov V.I. Magnetic properties of the Hubbard model with orbital degeneracy // Phys. Rev. B. 2005. V. 71. No. 18. P. 184434.
  30. Bandyopadhyay A., Velev J., Butler W.H., Sarker S.K., Bengone O. Electronic structure and magnetism of Fe2O3: The role of the substrate // Phys. Rev. B. 2004. V. 69. No. 17. P. 174429.
  31. Giannozzi P., Baroni S., Bonini N., Calandra M., Car R., Cavazzoni C., Ceresoli D., Chiarotti G.L., Cococcioni M., Dabo I., Dal Corso S., de Gironcoli S., Fabris S., Fratesi G., Gebauer R., Gerstmann U., Gougoussis C., Kokalj A., Lazzeri M., Martin-Samos L., Marzari N., Mauri F., Mazzarello R., Paolini S., Pasquarello A., Paulatto L., Sbraccia C., Scandolo S., Sclauzero G., Seitsonen A.P., Smogunov P., Umari R.M., Wentzcovitch R.M. QUANTUM ESPRESSO: a modular and open-source software project for quantum simulations of materials // J. Phys.: Condensed Matter. 2009. V. 21. No. 39. P. 395502.
  32. Prandini G., Marrazzo A., Castelli I.E., Mounet N., Marzari N. Precision and efficiency in solid-state pseudopotential calculations // npj Computational Materials. 2018. V. 4. P. 72.
  33. Dedov G.S., Shorikov A.O. Theoretical Study of the Epitaxial Strain Effect on the Structural and Magnetic Properties of a YFeO3 Thin Film on a SrTiO3 Substrate // JETP Letters. 2024. V. 119. No. 9. P. 696–702.
  34. Yakunin S.N., Makhotkin I.A., Nikolaev K.V., Van De Kruijs R.W.E., Chuev M.A., Bijkerk F. Combined EUV reflectance and X-ray reflectivity data analysis of periodic multilayer structures // Optics Express. 2014. V. 22. No. 17. P. 20076–20086.
  35. Chuev M.A., Lomov A.A., Imamov R.M. Simultaneous analysis of double-crystal X-ray rocking curves from a set of crystallographic planes // Crystal. Reports. 2006. V. 51. No. 2. P. 178–191.
  36. Wang X.-L., Hubbard C.R., Alexander K.B., Becher P.F., Fernandez-Baca J.A., Spooner S. Neutron Diffraction Measurements of the Residual Stresses in Al2O3-ZrO2 (CeO2) Ceramic Composites // J. American Ceramic Soc. 1994. V. 77. No. 6. P. 1569–1575.
  37. Finger L.W., Hazen R.M. Crystal structure and isothermal compression of Fe2O3, Cr2O3, and V2O3 to 50 kbars // J. Appl. Phys. 1980. V. 51. P. 5362–5367.
  38. Morin F.J. Magnetic susceptibility of α-Fe2O3 and α-Fe2O3 with added titanium // Phys. Rev. 1950. V. 78. No. 6. P. 819–820.
  39. Bødker F., Hansen M.F., Koch C.B., Lefmann K., Mørup S. Magnetic properties of hematite nanoparticles // Phys. Rev. B. 2000. V. 61. No. 10. P. 6826–6838.
  40. Braun L., Spielmann J., Doronkin D.E., Kuhn C., Maliugin A., Sharapa D.I., Huck I., Bao J., Tischer S., Studt F. Following the Structural Changes of Iron Oxides during Reduction under Transient Conditions // Chem. Sus. Chem. 2024. V. 17. No. 24. P. e202401045.
  41. André-Filho J., León-Félix L., Coaquira J.A.H., Garg V.K., Oliveira A.C. Size dependence of the magnetic and hyperfine properties of nanostructured hematite (α-Fe2O3) powders prepared by the ball milling technique / LACAME 2012: Proceedings of the 13th Latin American Conference on the Applications of the Mössbauer Effect (LACAME 2012). Springer Netherlands, 2014. P. 183–190.
  42. Mishchenko I., Chuev M., Kubrin S., Lastovina T., Polyakov V., Soldatov A. Continual model of magnetic dynamics for antiferromagnetic particles in analyzing size effects on Morin transition in hematite nanoparticles // J. Nanoparticle Research. 2018. V. 20. P. 1–10.
  43. Özdemir Ö., Dunlop D.J., Berquó T.S. Magnetic properties of hematite nanoparticles // Geochemistry, Geophysics, Geosystems. 2008. V. 9. No. 10.
  44. Chuev M.A., Mishchenko I.Y.N., Kubrin S.P., Lastovina T.Y.A. Novel insight into the effect of disappearance of the Morin transition in hematite nanoparticles // JETP Letters. 2017. V. 105. No. 11. P. 700–705.
  45. Morrish A.H. Canted Antiferromagnetism: hematite // World Sci. 1995. 192 c.
  46. Park S., Jang H., Kim J.-Y., Park B.-G., Koo T.-Y., Park J.-H. Strain control of Morin temperature in epitaxial α-Fe2O3(0001) film // Europhysics Letters. 2013. V. 103. No. 2. P. 27007.
  47. Néel L. Magnetic properties of antiferromagnetic materials // Comptes Rendus de l'Académie des Sciences. 1961. V. 253. P. 203–208.
  48. Вонсовский С.В. Магнетизм. М.: Наука, 1971. 1032 с.
  49. Караев А.Т., Соколов Б.Ю. Влияние внутренних ростовых напряжений на процесс намагничивания кристаллов гематита в базисной плоскости // Журнал технич. физики. 2003. Т. 73. № 5. С. 130–133.
  50. Heinzel C.O., Walker G.A. Effect of Crystallite Size on Coercive Force of Thin Ferromagnetic Films // J. Appl. Phys. 1966. V. 37. No. 10. P. 3809–3812.
  51. Leonov I., Shorikov A.O., Anisimov V.I., Abrikosov I.A. Magnetic properties of the Hubbard model with orbital degeneracy // Phys. Rev. B. 2020. V. 101. No. 24. P. 245144.
  52. Dyachenko A.A., Lukoyanov A.V., Shorikov A.O., Anisimov V.I. Magnetic properties of the Hubbard model with orbital degeneracy // Phys. Rev. B. 2018. V. 98. No. 8. P. 085139.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».