Structure and properties of quaternary and tetragonal Heusler compounds for spintronics and spin transfer torque applications

Diese Dissertation ist in zwei Teile aufgeteilt: Teil 1 befasst sich mit der Vorhersage von Halb-Metallizität in quarternären Heuslerverbindungen und deren Potential für Spintronik-Anwendungen. Teil 2 befasst sich mit den strukturellen Eigenschaften der Mn2-basierenden Heuslerverbindungen und dem Tuning von ihrer magnetischen Eigenschaften bzgl. Koerzitivfeldstärke und Remanenz. Diese Verbindungen sind geeignet für Spin-Transfer Torque-Anwendungen.rnrnIn Teil 1 wurden die folgenden drei Probenserien quarternärer Heuslerverbindungen untersucht: XX´MnGa (X = Cu, Ni und X´ = Fe, Co), CoFeMnZ (Z = Al, Ga, Si, Ge) und Co2−xRhxMnZ (Z = Ga, Sn, Sb). Abgesehen von CuCoMnGa wurden alle diese Verbindungen mittels ab-initio Bandstrukturrechnungen als halbmetallische Ferromagnete prognostiziert. In der XX´MnGa-Verbindungsklasse besitzt NiFeMnGa zwar eine zu niedrige Curie-Temperatur für technologische Anwendungen, jedoch NiCoMnGa mit seiner hohen Spinpolarisation, einem hohen magnetischen Moment und einer hohen Curie-Temperatur stellt ein neues Material für Spintronik-Anwendungen dar. Alle CoFeMnZ-Verbindungen kristallisieren in der kubischen Heuslerstruktur und ihre magnetischen Momente folgen der Slater-Pauling-Regel, was Halbmetalizität und eine hohe Spinpolarisation impliziert. Die ebenfalls hohen Curie-Temperaturen ermöglichen einen Einsatz weit über Raumtemperatur hinaus. In der strukturellen Charakterisierung wurde festgestellt, dass sämtliche Co2−xRhxMnZ abgesehen von CoRhMnSn verschiedene Typen von Unordnung aufweisen; daher war die ermittelte Abweichung von der Slater-Pauling-Regel sowie von der 100%-igen Spinpolarisation dieser Verbindungen zu erwarten. Die Halbmetallizität der geordneten CoRhMnSn-Verbindung sollte nach den durchgeführten magnetischen Messungen vorhanden sein.rnrnIm zweiten Teil wurden Mn3−xCoxGa und Mn2−xRh1+xSn synthetisiert und charakterisiert. Es wurde gezeigt, dass Mn3−xCoxGa im Bereich x = 0.1 − 0.4 in einer tetragonal verzerrten inversen Heuslerstruktur kristallisiert und im Bereich x = 0.6−1 in einer kubisch inversen Heuslerstruktur. Während die tetragonalen Materialien hartmagnetisch sind und Charakeristika aufweisen, die typischerweise für Spin-Transfer Torque-Anwengungen attraktiv sind, repräsentieren die weichmagnetischen kubischen Vertreter die 100% spinpolarisierten Materialien, die der Slater-Pauling-Regel folgen. Mn2RhSn kristallisiert in der inversen tetragonal verzerrten Heuslerstruktur, weist einernhartmagnetische Hystereseschleife auf und folgt nicht der Slater-Pauling-Regel. Bei hohen Rh-Gehalt wird die kubische inverse Heuslerstruktur gebildet. Alle kubischen Proben sind weichmagnetisch und folgen der Slater-Pauling-Regel.

This work is divided into two parts: part 1 is focused on the prediction of half-metallicity in quaternary Heusler compounds and their potential for spintronic applications and part 2 on the structural properties of Mn2-based Heusler alloys and tuning the magnetism of them from soft to hard-magnetic for spin-transfer torque applications.rnrnIn part 1, three different series of quaternary Heusler compounds are investigated, XX´MnGa (X = Cu, Ni and X´ = Fe, Co), CoFeMnZ (Z = Al, Ga, Si, Ge), and Co2−xRhxMnZ (Z= Ga, Sn, Sb). All of these quaternary compounds except CuCoMnGa are predicted to be half-metallic ferromagnets by ab-initio electronic structure calculations. In the XX´MnGa class of compounds, NiFeMnGa has a low Curie temperature for technological applications but NiCoMnGa with a high spin polarization, magnetic moment, and Curie temperature is an interesting new material for spintronics applications. All CoFeMnZ compounds exhibit a cubic Heusler structur and their magnetic moments are in fair agreement with the Slater-Pauling rule indicating the half-metallicity and high spin polarization required for spintronics applications. Their high Curie temperatures make them suitable for utilization at room temperature and above. The structural investigation revealed that the crystal structure of all Co2−xRhxMnZ compounds aside from CoRhMnSn exhibit different types of anti-site disorder. The magnetic moments of the disordered compounds deviate from the Slater-Pauling rule indicating that 100% spin polarization are not realized in CoRhMnGa, CoRhMnSb,rnand Co0.5Rh1.5MnSb. Exchange of one Co in Co2MnSn by Rh results in the stable,rnwell-ordered compound CoRhMnSn. This exchange of one of the magnetic Co atomsrnby a non-magnetic Rh atom keeps the magnetic properties and half-metallicity intact.rnrnIn part 2, two series of Mn2-based Heusler alloys are investigated, Mn3−xCoxGarnand Mn2−xRh1+xSn. It has been shown that the series Mn3−xCoxGa crystallizes inrnthe inverse tetragonal structure, for x = 0.1 − 0.4 and in the cubic inverse Heusler structure, for x = 0.6 − 1. In this series, while the tetragonal alloys, hard magnets, exhibit the features typically attractive for STT applications, the cubic systems, soft magnets, present 100% spin polarized materials obeying the Slater-Pauling rule. In Mn2−xRh1+xSn series, Mn2RhSn crystallizes in the inverse tetragonal structure, shows a hard-magnetic hysteresis loop and does not follow the Slater-Pauling rule. With substituting Mn by Rh, the inverse cubic structure is observed. All cubic samples show perfect Slater-Pauling behavior and a soft hysteresis loop.