Παρασκευή και μελέτη μαγνητικών ιδιοτήτων μαγνητοθερμικών Mn5-xFexSi3 ενώσεων και διδιάστατων van der Waals FexGeTe2 ενώσεων σε συνάφεια με σύγχρονες τεχνολογικές εφαρμογές
Authors: Γεωργοπούλου-Κωτσάκη Έλλη 
Published: October 2023

Τα μαγνητικά υλικά αποτελούν μια από τις πιο σημαντικές κλάσεις υλικών τόσο ως προς την μελέτη των φυσικών μηχανισμών που περιγράφουν τις μαγνητικές αλληλεπιδράσεις τους, όσο και ως προς τις εφαρμογές τους σε τεχνολογίες αιχμής. Η εξοικονόμηση ενέργειας και η στροφή σε πράσινες τεχνολογίες αποτελεί έναν από τους βασικούς στόχους της σύγχρονης έρευνας. Στα πλαίσια της διατριβής μελετήθηκαν δύο κατηγορίες μαγνητικών υλικών. Η πρώτη αφορά υλικά, τα οποία παρουσιάζουν το λεγόμενο μαγνητοθερμικό φαινόμενο και βρίσκουν εφαρμογές σε τεχνολογίες μαγνητικής ψύξης και η δεύτερη αφορά ετεροδομές διδιάστατων μαγνητικών υλικών με τοπολογικούς μονωτές, οι οποίες χρησιμοποιούνται σε τεχνολογίες σπιντρονικής. Στον πρώτο άξονα, η μέθοδος σύνθεσης των ενώσεων Mn5-xFexSi3 που επιλέχθηκε είναι διαφορετική από τη βιβλιογραφία, ώστε να εξεταστεί κατά πόσο ο διαφορετικός τρόπος παρασκευής και προετοιμασίας επηρεάζει τις υπό μελέτη (μαγνητικές, δομικές) ιδιότητές τους. Κύριος στόχος αποτέλεσε η μελέτη της επίδρασης διαφορετικών συνθηκών ανόπτησης, ώστε να διερευνηθεί η βελτίωση των ιδιοτήτων και η σχέση τους με την κρίσιμη θερμοκρασία. Στα Κεφάλαια A1 και Α2 περιλαμβάνονται στοιχεία θεωρίας και αναλυτική περιγραφή του τρόπου σύνθεσης των πολυκρυσταλλικών δειγμάτων των ενώσεων Mn5-xFexSi3 με τη μέθοδο της αντίδρασης στερεάς κατάστασης (SSR) και οι πειραματικές μέθοδοι που χρησιμοποιήθηκαν. Στο Κεφάλαιο A3 παρουσιάζονται αναλυτικά οι δομικές και μαγνητικές ιδιότητες για τις Mn5-xFexSi3 ενώσεις μετά την σύνθεση τους. Παρασκευάστηκαν δείγματα με διαφορετικές συγκεντρώσεις Fe και μελετήθηκε συστηματικά η κρυσταλλική τους φάση με περιθλασιμετρία ακτίνων Χ (XRD) και οι μαγνητικές ιδιότητες με μετρήσεις μαγνητικής επιδεκτικότητας εναλλασσόμενου πεδίου, χac, όπου παρατηρήθηκε προοδευτική ενδυνάμωση του FM χαρακτήρα της μετάβασης με την αύξηση του x. Βρέθηκε ότι οι ενώσεις που παρασκευάστηκαν με αυτό τον εναλλακτικό τρόπο παρουσιάζουν συγκρίσιμες ιδιότητες με αυτές της βιβλιογραφίας. Επιπλέον, παρουσιάζεται η επίδραση των συνθηκών επεξεργασίας των δειγμάτων, δοκιμάζοντας διαφορετικές συνθήκες ανόπτησης είτε σε υψηλό κενό είτε σε ατμόσφαιρα Ar-4%H2. Η έκθεση των δειγμάτων σε H2 είχε ως αποτέλεσμα την ενίσχυση της μαγνητικής επιδεκτικότητας κυρίως για τα δείγματα με χαμηλή συγκέντρωση Fe, συνοδευόμενη από απότομη μετάβαση σε κατάσταση μαγνητικής τάξης. Στα δείγματα με μεγαλύτερη συγκέντρωση Fe, φαίνεται ότι η μαγνητική τάξη μπορεί να περιγραφεί ως αποτέλεσμα συνύπαρξης δύο μαγνητικών φάσεων με τη μία εξ’ αυτών να λαμβάνει χώρα σε Τ > 350 Κ. Από τις εικόνες SEM που ελήφθησαν γίνεται φανερό ότι η ατμόσφαιρα επεξεργασίας Ar-4%H2 ευνόησε την ελάττωση του πορώδους των δειγμάτων και από την ανάλυση της στοιχειομετρίας τους φάνηκε ότι όλα τα δείγματα περιείχαν Mn, Fe και Si σε αναλογία πολύ κοντά στην αναμενόμενη. Για περαιτέρω διερεύνηση των αποτελεσμάτων πραγματοποιήθηκε ανάλυση των περιθλασιγραμμάτων ακτίνων X με την μέθοδο Rietveld, όπου προσδιορίστηκαν οι αποστάσεις των ατόμων. Σχετίστηκε η ισχυρή ενδυνάμωση της επιδεκτικότητας, η οποία παρατηρήθηκε στα δείγματα με χαμηλή συγκέντρωση Fe που εκτέθηκαν σε ατμόσφαιρα Ar-4%H2 με τη μείωση των ενδοατομικών αποστάσεων Mn-Fe. Εκτός των μετρήσεων ac- μαγνητικής επιδεκτικότητας, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις ηλεκτρικής αντίστασης συναρτήσει της θερμοκρασίας στην περιοχή θερμοκρασιών 18 - 915 Κ. Τα δείγματα παρουσιάζουν μεταλλική συμπεριφορά σε όλο το θερμοκρασιακό εύρος και αναδείχθηκε ότι αντίθετα με τις μαγνητικές ιδιότητες, οι ηλεκτρικές ιδιότητες δεν φαίνεται να παρουσιάζουν κάποια διαφοροποίηση ως προς την ατμόσφαιρα επεξεργασίας. Στον δεύτερο άξονα μελετώνται μονοκρυσταλλικά δείγματα, κατασκευασμένα με αποφλοίωση και επιταξιακά δείγματα FexGeTe2 (FGT) διδιάστατων (2D) van der Waals (vdW) ενώσεων. Οι ετεροδομές συντέθηκαν με τη μέθοδο επιταξίας μοριακής δέσμης (molecular beam epitaxy, ΜΒΕ) και συνοπτικά είναι: FGT/μέταλλο με ισχυρή σύζευξη σπιν-τροχιάς (Pt), FGT/τοπολογικός μονωτής (Bi2Te3). Διερευνήθηκαν συστηματικά οι συνθήκες σύνθεσης (θερμοκρασία ανάπτυξης, υπόστρωμα, πάχος και στοιχειομετρία) σε σχέση με τις μαγνητικές τους ιδιότητες, η μετατόπιση της θερμοκρασίας Curie κοντά στη θερμοκρασία δωματίου και η επίδραση της Pt και του Bi2Te3 ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε σπιντρονικές διατάξεις. Στο Κεφάλαιο B1 περιλαμβάνονται στοιχεία θεωρίας και Στο Κεφάλαιο B2 παρουσιάζονται οι πειραματικές μέθοδοι που χρησιμοποιήθηκαν για την μελέτη των FGT ενώσεων. Στο Κεφάλαιο B3 παρουσιάζεται ο χαρακτηρισμός των επιταξιακών υμενίων μετά τη σύνθεση των Fe5-δGeTe2 (F5GT) ετεροδομών με τη μέθοδο MBE. Μελετώνται οι μαγνητικές ιδιότητες των ετεροδομών αυτών σε σχέση με την πιθανή επίδραση λόγω διεπαφής με τοπολογικό μονωτή Bi2Te3 ή μέταλλο με ισχυρό SOC, Pt και το πάχος της F5GT ετεροδομής. Με τις μετρήσεις μαγνητομετρίας Kerr φάνηκε ότι οι ετεροδομές F5GT/Bi2Te3 διατηρούν έναν καθαρό σιδηρομαγνητικό βρόγχο κοντά σε θερμοκρασία δωματίου με ανισοτροπία μέσα στο επίπεδο, ο οποίος παραμένει ανθεκτικός για θερμοκρασίες υψηλότερες από 300 K, υποδεικνύοντας υψηλή θερμοκρασία μετάβασης (Tc). Αντίθετα, στην περίπτωση της ετεροδομής αναφοράς F5GT, ο σιδηρομαγνητικός βρόγχος μειώνεται γρήγορα, υποδεικνύοντας μια Tc κοντά σε 300 K ή ελαφρώς πάνω από αυτήν. Η ενίσχυση της Tc στο F5GT/Bi2Te3 επιβεβαιώνεται και από μετρήσεις υψηλής θερμοκρασίας SQUID με την Tc να ανέρχεται σε Τ ≈ 570 K, από τις υψηλότερες κρίσιμες θερμοκρασίες που έχουν αναφερθεί στη βιβλιογραφία. Επίσης, οι ετεροδομές με και χωρίς Bi2Te3 εξετάστηκαν με μετρήσεις σιδηρομαγνητικού συντονισμού. Επιβεβαιώνεται ενίσχυση του παράγοντα απόσβεσης για την F5GT/Bi2Te3 ετεροδομή σε σύγκριση με την F5GT, υποδεικνύοντας την καταλληλότητα μιας τέτοιας ετεροδομής για μετατροπή ρεύματος φορτίου σε ρεύμα σπιν ώστε να αξιοποιηθεί σε συσκευές σπιντρονικής που βασίζονται σε 2D σιδηρομαγνήτες και τρισδιάστατους τοπολογικούς μονωτές. Στο Κεφάλαιο B4 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα μικροσκοπίας Kerr σε μονοκρυσταλλικά διδιάστατα vdW δείγματα Fe3GeTe2, κατασκευασμένα με αποφλοίωση (exfoliated flakes). Αφέθηκαν να αναπτύξουν ένα λεπτό στρώμα οξειδίου ώστε να προκληθεί άρση της συμμετρίας αντιστροφής στη διεπιφάνεια και να προκύψει η αντισυμμετρική αλληλεπίδρασης ανταλλαγής Dzyalozinsi-Moriya Interaction (DMI). Μελετήθηκε η μορφολογία των μαγνητικών περιοχών υπό διάφορους συνδυασμούς μαγνητικού πεδίου-θερμοκρασίας. Παρατηρήθηκε ότι με την παρουσία του DMI και με κατάλληλες συνθήκες εφαρμογής και μεταβολής του μαγνητικού πεδίου δύναται να δημιουργηθεί μια καινούργια μαγνητική μορφολογία από κυκλικές μαγνητικές περιοχές, οι οποίες διατάσσονται σε εξαγωνικό πλέγμα και έχουν την μαγνητική δομή της τoπολογικά προστατευμένης μαγνητικής διάταξης του skyrmionium. Ο σχηματισμός ενός πλέγματος κυκλικών μαγνητικών περιοχών θα μπορούσε να αξιοποιηθεί σε διάφορες εφαρμογές σπιτρονικής καθώς η οργανωμένη και προβλέψιμη κίνηση αυτών των περιοχών, συμβάλλει στην αξιόπιστη λειτουργία πιθανών συσκευών μνήμης. Στο Κεφάλαιο B5 παρουσιάζεται η σύνθεση με τη μέθοδο MBE Fe3-δGeTe2 (F3GT) ετεροδομών. Μελετώνται F3GT/Bi2Te3 ετεροδομές για δύο διαφορετικά πάχη του μαγνητικού υμενίου F3GT όπου παρατηρήθηκε αλλαγή της ανισοτροπίας λόγω της παρουσίας μηχανικής τάσης (strain). Η μελέτη των μαγνητικών ιδιοτήτων στις ενώσεις Fe3GeTe2 εκτός ότι διευρύνει και ολοκληρώνει το φάσμα της μελέτης της οικογένειας FexGeTe2 συναρτησιακά με την επίδραση του τοπολογικού μονωτή Bi2Te3 στα επιταξιακά μας δείγματα, αποτελεί και σημείο αναφοράς της αναπτυχθείσας διάταξης Hall, όπως προέκυψε ύστερα από τροποποίηση της διάταξης μικροσκοπίας kerr.