Molecular Beam Epitaxy Growth of the Kagome magnet system Fe-Sn

Abstract

Kagome-magnetsystemet Fe-Sn er en gruppe krystallstrukturer som består av lag av Fe3Sn og Sn2. Det har blitt vist at magneter i dette systemet har eksotiske kvanteegenskaper, som kan ha anvendelser i nye spintroniske komponenter. Den mest undersøkte fasen av dette systemet er Fe3Sn2, der det har blitt observert magnetiske skyrmioner ved romtemperatur. Magnetiske skyrmioner er topologiske strukturer i magnetiseringsfeltet til et kondensert materiesystem som kan opprettes, flyttes og slettes ved hjelp av elektriske eller magnetiske felt. Dette gjør dem til en potensiell kandidat for koding av data, både for lagring og for overføring, for eksempel i racetrack-minnesystemer.

Denne oppgaven forsøker å produsere Fe-Sn tynnfilmkrystaller ved bruk av molekylær stråleepitaksi. Si(111)- og GaAs(111)-substrater ble brukt til å produsere filmene. Det ble vist at Si(111)-substrat reagerer med jern, noe som forårsaker dannelsen av FeSi2 og beta-tinn, som undertrykker Fe3Sn2-vekst. GaAs(111)-substratene resulterte i vekst av Fe3Sn2, bevist ved forekomsten av (009) Fe3Sn2 i XRD-målinger. Imidlertid med tilstedeværelsen av andre uidentifiserte faser. Filmene viste varierende grader av overflateruhet, men ingen sett med parametre oppnådde en atomisk flat 2D-overflate.

The Kagome magnet system Fe-Sn is a set of crystal structures consisting of stacked layers of Fe3Sn and Sn2. Magnets in this system have been found to exhibit exotic quantum properties, which may have applications in novel spintronic components. The most studied phase of this system is Fe3Sn2, which has been proven to host magnetic skyrmions at room temperature. Magnetic skyrmions are topological structures in the magnetization field of a condensed matter system that can be created, moved and deleted using electric or magnetic fields. This makes them a potential candidate for encoding data, both for storage and for transfer, for example in racetrack memory systems.

This work attempts to grow Fe-Sn thin film crystals using molecular beam epitaxy. Si(111) and GaAs(111) substrates were used to grow the films. The Si(111) substrate was shown to react with the iron, causing the formation of FeSi2 and beta-tin, which suppressed Fe3Sn2 growth. The GaAs(111) substrates resulted in the growth of Fe3Sn2, evidenced by the occurrence of (009) Fe3Sn2 peak in the XRD measurements. However, with the presence of other unidentified phases. The films showed varying degrees of surface roughness, but no set of parameters achieved an atomically flat 2D surface.