57 Fe and 119 Sn Mössbauer studies on new Heusler compounds for spintronic applications

Seit der Entwicklung einer großen Vielfalt von Anwendungsmöglichkeiten der Spintronik auf Basis von Heusler Verbindungen innerhalb der letzten Dekade kann der Forschungsfortschritt an dieser Material Klasse in einer Vielzahl von Publikationen verfolgt werden. Eine typische Heusler Verbindung X2YZ besteht aus zwei Übergangsmetallen (X, Y) und einem Hauptgruppenelement (Z). Diese Arbeit berichtet von Heusler Verbindungen mit besonderem Augenmerk auf deren potentielle halbmetallische Eigenschaften und davon insbesondere solche, die eine richtungsabhängige magnetische Anisotropie (perpendicular magnetic anisotropy- PMA) zeigen könnten. PMA ist insbesondere für Spin transfer Torque (STT) Bauelemente von großem Interesse und tritt in tetragonalrnverzerrten Heusler Verbindungen auf. Bei STT-Elementen werden mittels spinpolarisierter Ströme die magnetische Orientierung von magnetischen Schichten beeinflusst.rnDie signifikantesten Ergebnisse dieser Arbeit sind: die Synthese neuer kubischen Heusler Phasen Fe2YZ, die theoretisch als tetragonal vorausgesagt wurden (Kapitel 1), die Synthese von Mn2FeGa, das in der tetragonal verzerrten Struktur kristallisiert und Potential für STT Anwendungen zeigt (Kapitel 2); die Synthese von Fe2MnGa, das einen magnetischen Phasenübergang mit exchange-bias (EB) Effekt zeigt, der auf einer Koexistenz von ferromagnetischen (FM) und antiferromagnetischen (AFM) Phasen beruht (Kapitel 3); Schlussendlich wird in Kapitel 4 die Synthese von Mn3−xRhxSn diskutiert, in welcher insbesondere tetragonales Mn2RhSn als potentielles Material für Anwendungen in derrnSpintronik vorgestellt wird.rnIn dieser Arbeit wurden hauptsächlich Heusler Verbindungen mit mößbaueraktiven Elementen 57Fe und 119Sn, synthetisiert und untersucht. Im Falle der hier untersuchten Heusler Verbindungen spielt die Charakterisierung durch Mößbauer Spektroskopie eine entscheidende Rolle, da Heusler Verbindungen meistens ein gewisses Maß an Fehlordnung aufweisen, welche deren magnetischen und strukturellen Eigenschaften beeinflussen kann. Die Art der Fehlordnung jedoch kann nur schwer durch standard Pulver-Röntgendiffraktion bestimmt werden, weshalb wir die Vorteile der Mößbauer Spektroskopie als lokale Methode nutzen, um den Typ und den Grad der Fehlordnung aufzuklären. rnDiese Arbeit ist wie folgt gegliedert:rnIn Kapitel 1 wurden die neuen, kubisch-weichferromagnetischen Heuslerphasen Fe2NiGe, Fe2CuGa und Fe2CuAl synthetisiert und charakterisiert. In vorangegangenen theoretischen Studien wurde für deren Existenz in tetragonaler Heuslerstruktur vorhergesagt.rnUngeachtet dessen belegten unsere experimentellen Untersuchungen, dass diese Verbindungen hauptsächlich in der kubischen invers Heusler(X-) struktur mit unterschiedlichen Anteilen an atomarer Fehlordnung kristallisieren. Alle Verbindungen sind weiche Ferromagneten mit hoher Curietemperatur bis zu 900K, weswegen alle als potentielle Materialien für magnetische Anwendungen geeignet sind. In Kapitel 2 wurde Mn2FeGa synthetisiert. Es zeigte sich, dass Mn2FeGa nach Temperatur Nachbehandlung bei 400°C die invers tetragonale Struktur (I4m2) annimmt. Theoretisch wurde die Existenz in der inversen kubischen Heuslerstruktur vorausgesagt. Abhängig von den Synthesebedingungen ändern sich die magnetischen und strukturellen Eigenschaften von Mn2FeGa eklatant. Deshalb ändert sich die Kristallstruktur von M2FeGa bei Temperung bei 800 °C zu einer pseudokubischen Cu3Au-artigen Struktur, in welcher Fe- und Mn-Atome statistisch verteilt vorliegen. Dieser Übergang der Kristallstrukturen wurde durch Mößbauer Spektroskopie anhand des Vorliegens oder Fehlens der Quadrupolaufspaltung im Falle der invers tetragonalen bzw. pseudokubischen Modifikation nachgewiesen. In Kapitel 3 wurde Fe2MnGa ebenfalls erfolgreich synthetisiert und durch verschiedene Methoden charakterisiert. Der Zusammenhang von Kristallstruktur und magnetischen Eigenschaften wurde durch verschiedene Temperungskonditionen und mechanischer Behandlung untersucht. Der Schwerpunkt lag auf einer geschmolzenen Probe ohne weitere Temperung, die einen FM-AFM Phasenübergang zeigte. Diese magnetische Phasenumwandlung führt zu einem starken EB-Verhalten, welches seinen Ursprung hauptsächlich in der Koexistenz von FM- und AFM-Phasen unterhalb der FMAFM- Übergangstemperatur hat. Kapitel 4 ist den neuen Mn-basierten Heusler-Verbindungen Mn3−xRhxSn gewidmet, bei denen wir versuchten, durch den Austausch von Mn durch das größere Rh eine Umwandlung zu einer tetragonalen Struktur von den hexagonalen Mn3Sn-Struktur zu erreichen. Als interessant stellten sich Mn2RhSn und Mn2.1Rh0.9Sn heraus, da sie aus nur einer Phase vorzuliegen scheinen, wohingegen die anderen Verbindungen aus gemischten Phasen mit gleichzeitiger starken Fehlordnung bestehen. Im abschließenden Anhang wurden die Fehlordnung und gelegentliche Mischphasen einer großen Auswahl von Mn3−xFexGa Materialien mit 1≤x≤3, dokumentiert.rnSince the huge variety of applications in spintronics using Heusler compounds has grown in the last decade, the progress on searching this family of alloys can be followed in numerous published papers. A typical Heusler compound X2YZ consists of two transition elements (X, Y) and of one main group element (Z). This thesis reports on Heusler alloys with particular interest in their potential half-metallic properties, and on those which could show a perpendicular magnetic anisotropy (PMA). The latter is attractive for use in spin torque transfer devices and occurs in tetragonally distorted Heusler compounds.rnSpin transfer torque (STT) is an effect which uses a spin polarized current to influence/change the orientation of a magnetic layer. The most significant results in this thesis are: the synthesis of new cubic Heusler phases Fe2YZ which theoretically were predicted as tetragonal (chapter one); the synthesis of Mn2FeGawhich appears in the tetragonal structure interesting for STT (chapter 2); the synthesis of Fe2MnGa with a magnetic phase transition, in particular exhibiting the exchange bias (EB)-effect, which is based on the coexistence of a ferromagnetic and an antiferromagnetic phase (chapter 3), and finally the synthesis of the series Mn3−xRhxSn (chapter 4), which offers tetragonal Mn2RhSn as a potential material for spintronic devices. In this thesis, Heusler compounds have been synthesized and investigated that contain at least one Mössbauer atomic probe, namely 57Fe and 119Sn. The application of Heusler compounds is based on their peculiar crystal structure and the resulting electronic and magnetic properties.rnIn case of the Heusler compounds studied here Mössbauer spectroscopy plays a major role, since Heuslers mostly exhibit a certain disorder, which could influence their magnetic and structural properties. The type of disorder can be hardly determined only from the laboratory powder XRD, that is why we use the advantage of Mössbauer spectroscopy as a local method to clarify the type and degree of disorder. This thesis is structured as follows:rnIn chapter 1, the new soft ferromagnetic cubic Heusler phases Fe2NiGe, Fe2CuGa and Fe2CuAl were synthesized and characterized. In previous theoretical studies they have been predicted to exist in a tetragonal Heusler structure. However, our experimental results revealed that these compounds basically crystallize in the cubic inverse Heusler (X-) structure with differing degrees of atomic disorder. One may suppose that disorder prevents the crystallization of the tetragonal phase. All the compounds are soft ferromagnets with high Curie temperatures up to 900K which makes them suitable for potential magnetic applications.rnChapter 2 reports about the synthesis and investigation of Mn2FeGa. It has been found that Mn2FeGa annealed at 400 °C adopts the inverse tetragonal structure (I4m2). Theoretically, it was suggested to exist in the inverse cubic Heusler structure. Depending on the synthesis conditions, magnetic and structural properties of Mn2FeGa crucially change. Hence, the crystal structure of Mn2FeGa annealed at 800°C changes to a pseudocubic Cu3Au-like structure, where Fe and Mn atoms are statistically distributed. This change of crystal structure has been confirmed by Mössbauer results due to the occurrence and absence of the quadrupole splitting in case of the inverse tetragonal and the pseudocubic structure, respectively. rnIn chapter 3, Fe2MnGa was also successfully synthesized and investigated by various techniques. The relation between the crystal and magnetic properties has been investigated by changing the annealing conditions and by mechanical treatment. rnEmphasis was on an as-grown sample without further annealing, which undergoes a FM-AFM transition. This magnetic transition leads to a large EB behavior, which mainly originates from the co-existence of FM and AFM phases below the FM-AFM transition temperature. This particular behavior and the high TC makes this compound also attractive and suitable for technological applications.rnChapter 4 is devoted to new Mn-based Heusler compounds Mn3−xRhxSn, where we have tried to induce a transition in hexagonal Mn3Sn to a tetragonal structure by replacing the Mn by the larger Rh atom. Interesting were found to beMn2RhSn and Mn2.1Rh0.9Sn, since they appeared to be a single phase, whereas the other compounds are mixed phases and also strongly disordered. The latter was confirmed by 119Sn- Mössbauer measurements. The phases Mn2RhSn and Mn2.1Rh0.9Sn occur in the inverse tetragonal structure and reveal hard ferrimagnetic behavior. This property is one of the main criteria that a compound should fulfill for being a candidate for STT. Finally in the Appendix a large variety of Mn3−xFexGa materials with 1≤x≤3 is documented which are disorderd and frequently phase mixtures.r