Growth and characterization of Mn-based magnetic MAX phases: The quest for room temperature ferromagnetism

Abstract

MAX fasar eru fjöldskylda af atómlagskiptum efnum, með efnaformúluna Mn+1AXn, þar sem algengasta útgáfan er M2AX. Hefðbundin samsetning er með hliðarmálmi (M), frumefni úr A-hópi (A), og annað hvort kolefni eða nitri (X) og í M2AX fasa raða frumefnin sér í aðgreind atómlög í röðinni M-A-M-X-M-A-M-X. Á undarförnum árum hefur úrval frumefna sem geta verið í hverju sæti aukist samhliða því að nýjar efnasamsetningar hafa uppgötvast. Í þessari ritgerð verður MAX fasinn Mn2GaC notaður sem grunnur til að útvíkka í aðrar samsetningar með því að skipta út mangani (Mn) fyrir króm (Cr), járn (Fe) og skandín (Sc). Markmiðið er að rannsaka seguleiginleika þessara nýju MAX fasa. Seguleiginleikar einkristallaðra Mn2GaC húða á MgO(111) undirlagi eru rannsakaðir sérstaklega við lág hitastig. Við sjáum að seglun við 5 T svið breytist aðeins lítilega með hitastigi, gagnstætt við áður birtar vísindagreinar. Ástæðan fyrir þessum mismun er ófullnægandi frádráttur á ólínulega bakgrunninum frá MgO undirlögunum. Mælingar á segulmisáttun í tveimur Mn2GaC sýnum með mismunandi kristalstefnum sýna að (000l) kristalplönin eru auðseglandi. Skandín er svo notað til að breyta efnisuppröðuninni frá stöðluðum MAX fasa, yfir í svo kallaðan i-MAX fasa, sem hefur kagome atómuppröðun í plani sýnisins til viðbótar við lagskiptinguna. Þessi uppröðun myndast ef 1/3 af Mn er skipt út fyrir Sc, sem gefur efnajöfnuna (Mn2/3Sc1/3 )2GaC. Þessar húðir eru ræktaðar sem einkristallar á MgO(111), Al2O3 (0001) og SiC-4H(001) undirlög, þar sem SiC gefur bestu gæðin á kristalnum. Seguleiginleikar þessa fasa eru rannsakaðir og niðurstaðan er að hann er andjárnsegull. Með því að skipta út Mn fyrir Cr til að mynda (Mn1−xCrx)2GaC með x ≤ 0,29, þá fæst töluverð járnseglandi svörun við stofuhita, og Curie hitastig sem nær upp í 489 K. Sterkasta merkið fæst við x = 0,12, með 370 kA/m mettunarseglun, 176 kA/m segulleif, og afseglunarsvið upp á 16,8 mT við stofuhita. Þetta er í fyrsta skipti sem sterk járnseglandi svörun fæst við eða yfir stofuhita í MAX fasa, sem markar stór tímamót. (Mn1−xCrx)2GaC húðirnar voru ræktaðar bæði sem einkristallar á MgO(111) undirlög og fjölkristallar á Si/SiO2 undirlög, sem bæði skila svipuðum seguleiginleikum. Þetta opnar á frekari möguleika til hagnýtingar á seglandi MAX fösum. Rannsóknir á efnablöndunni (Mn1−xFex)2GaC, með 0,05 ≤ x ≤ 0,38, sýna að Fe virðist fara inn í MAX fasann samkvæmt röntgenmælingum. Aftur á móti kemur í ljós að jafnvel fyrir minnsta magnið x = 0,05, þá myndast antiperovskite fasinn (Mn1−xFex)3GaC. Með því að bæta við Cr og mynda (Mn1−x−yFexCry)2GaC, þá eykst stöðugleiki MAX fasans, sem gefur nánast fasahrein sýni með x = 0,11, y = 0,21 og einungis snefil af antiperovskite fasanum. Þetta sýni hafði sambærilega seguleiginleika á við sýni með Cr y = 0,29 og engu járni, en það var með aðeins lægra Curie hitastig.

MAX phases are a family of naturally nanolaminated materials, with the chemical formula Mn+1AXn, the most common being M2AX. Traditionally they are composed of a transition metal (M), an A-group element (A), and either carbon or nitrogen (X). However in recent years, the elements available at each site have been expanding as new phases continue to be discovered. The basic structural ordering of M2AX is distinct layers of elements with the order M-A-M-X-M-A-M-X. In this thesis the MAX phase Mn2GaC is used as a base material to branch out from by substituting manganese (Mn) with chromium (Cr), iron (Fe) and scandiumm(Sc), with the aim of investigating the magnetic properties of the resulting compounds.The magnetic properties of epitaxially grown Mn2GaC thin films on MgO(111) are studied, where the low-temperature magnetization at 5 T field is not found to change significantly with temperature, contradicting the existing literature. This is found to stem from insufficient subtraction of the large non-linear MgO substrate background signal. Investigations into the magnetic anisotropy of Mn2GaC using two films with different crystal growth orientations, find that the (000l) crystallographic planes are magnetic easy planes. Scandium is used to obtain a different chemical ordering from the standard MAX phase, referred to as an i-MAX phase, which has an additional kagome-like in-plane ordering. This is formed when 1/3 of the Mn is substituted for Sc, forming (Mn2/3Sc1/3)2GaC. The films are grown epitaxially on MgO(111), Al2O3(0001) and SiC- 4H(001) substrates, with SiC giving the highest crystal quality. The magnetic properties of this phase are investigated and it is found to be antiferromagnetic.Substituting Cr for Mn, forming (Mn1−xCrx)2GaC with x ≤ 0.29, results in a significant ferromagnetic response at room temperature, with critical temperatures reaching up to 489 K. The strongest moment measured was at x = 0.12, with a saturation magnetization and remanent magnetization of 370 kA/m and 176 kA/m respectively, and a coercive field of 16.8 mT at room temperature. This is the first time a strong ferromagnetic response at and above room temperature is reported on for MAX phases, which is a significant milestone. The (Mn1−xCrx)2GaC films are grown both epitaxially on MgO(111) substrates and polycrystalline textured on Si/SiO2 substrates, both resulting in similar magnetic properties. This opens up the possibilities of utilizing them in practical applications.Investigating the solid solution of (Mn1−xFex)2GaC, for 0.05 ≤ x ≤ 0.38, shows that Fe seems to successfully integrate into the MAX phase according to x-ray measurements. However, even for the lowest concentration of x = 0.05, a large amount of the antiperovskite phase (Mn,Fe)3GaC is also formed. The addition of Cr to make (Mn1−x−yFexCry)2GaC, has a stabilizing effect on the MAX phase, allowing almost a phase pure x = 0.11, y = 0.21 sample to be synthesized with only a trace of the antiperovskite competing phase appearing. This sample has similar magnetic characteristics to a Cr y = 0.29 sample with no Fe, however with a slightly lower critical temperature.