Mn$_{4}$N/MnN$_{x}$ 异质结构中的离子驱动合成与交换偏置

亚铁磁体作为自旋电子学应用的有前景平台而重新受到关注。尤其令人感兴趣的是来自氮化锰 ${\epsilon}$ 相的 Mn4N，作为一种新兴的无稀土自旋电子学材料，其具有垂直磁各向异性、小饱和磁化强度、高热稳定性和大畴壁速度。我们通过将 Mn 溅射到 Si 衬底上的 ${\eta}$ 相 Mn$_{3}$N$_{2}$ 籽晶层上，获得了高质量的 (001) 取向 Mn$_{4}$N 薄膜。随着沉积 Mn 厚度的变化，氮离子在 Mn$_{3}$N$_{2}$/Mn 层间的迁移导致层结构连续演化为 Mn$_{3}$N$_{2}$/Mn$_{2}$N/Mn$_{4}$N、Mn$_{2}$N/Mn$_{4}$N，最终仅剩 Mn$_{4}$N。亚铁磁性的 Mn$_{4}$N 确实表现出垂直磁各向异性，并通过成核—生长机制形成。氮离子迁移还体现在显著的交换偏置中，在 5 K 下高达 0.3 T，这源于亚铁磁 Mn$_{4}$N 与反铁磁 Mn$_{3}$N$_{2}$ 和 Mn$_{2}$N 之间的相互作用。这些结果展示了一个具有显著可调性的全氮化物磁离子平台，可用于器件应用。