Two-component anomalous Hall and Nernst effects in anisotropic Fe$_{4-x}$Ge$_x$N thin films

技术摘要：各向异性 $Fe_{4-x}Ge_xN$ 薄膜中的双组分反常霍尔与能斯特效应

问题陈述
铁氮化物（$Fe_xN$）因其利用丰富的非毒性元素而具有优异的磁学、电学和机械性能。虽然外延 $Fe_4N$ 薄膜已展示出显著的横向热磁特性，特别是反常能斯特效应（ANE），但理论预测表明，通过用其他元素取代铁可以进一步增强这些效应。密度泛函理论（DFT）计算此前已确定，取代的铁氮化物是增强 ANE 的极具潜力的候选材料。然而，由于大多数拟议的取代方案在所需的成分范围内难以实现固溶体，研究面临瓶限。本研究通过研究 $Fe_{4-x}Ge_xN$ 系列（$x = 0 – 1$）来解决这一差距，该体系在体相样品中已被证明在高达 $x=1$ 的范围内可实现固溶；本研究旨在实验上确定其横向磁输运特性，并将其与理论预测联系起来。

研究方法
本研究采用了综合性的实验与理论方法：

• 制备： 通过在 400°C 的含氮气氛下使用磁控溅射技术，在 MgO(001) 基底上沉积 $Fe_{4-x}Ge_xN$（$x = 0, 0.5, 0.8, 1$）薄膜。
• 结构表征： 使用 X 射线衍射（XRD）分析相纯度、晶体取向和晶格参数。通过扫描电子显微镜（SEM）结合能量色散 X 射线光谱（EDX）、透射电子显微镜（TEM）以及原子探针断层扫描（APT）检查微观结构和化学计量比。
• 磁性与输运测量： 使用 SQUID 和振动样品磁强计（VSM）在 5–850 K 的温度范围内测量磁学性质。使用物理性质测量系统（PPMS）和定制的自制装置测量电阻率、霍尔效应和能斯特效应。
• 理论计算： 使用维也纳从头算软件包（VASP）进行 DFT 计算，以确定电子结构、超精细参数（用于与穆斯堡尔谱对比）以及贝里曲率，从而计算反常霍尔电导率（AHC）和反常能斯特电导率（ANC）。

关键结果

• 结构演变： $Fe_4N$ 相（$x=0$）具有立方对称性（$Pm\bar{3}m$）。随着 Ge 含量的增加（$x > 0.35$），结构发生四方畸变（$I4/mcm$）。穆斯堡尔谱和 DFT 证实，Ge 优先占据大阳离子位点（4b）。
• 微观结构各向异性： 对于四方相样品（$x=0.5$ 和 $x=1$），XRD 和 TEM 显示存在两种晶体取向共存的情况：一种是 $c$ 轴垂直于薄膜表面的多数相，另一种是 $a$ 轴垂直于表面的少数相。SEM 和 APT 识别出 $x=1$ 薄膜中对应于这些取向的条纹状特征，其 Ge 含量的变化归因于应变最小化。
• 磁学性质： 居里温度（$T_C$）从约 750 K（$x=0$）迅速下降至约 100 K（$x=1$）。总磁矩也随 Ge 取代显著降低。$x=0.5$ 样品表现出独特的磁行为，这可能归因于随机位点占据无序。
• 输运异常：
  • 电阻率： $x=0$ 和 $x=1$ 样品在 $T_C$ 以下表现出电阻率的亚线性温度依赖性，这归因于由随机氮空位引起的磁序扰动。
  • 霍尔与能斯特效应： $x=0$ 和 $x=0.5$ 样品表现出正向 ANE 和 AHE。$x=1$ 样品在霍尔和能斯特磁滞回线中表现出独特的双组分行为。这些回线可以分解为具有不同饱和场的正向和负向贡献。
• 双组分行为机制： 研究将 $x=1$ 中的双组分回线归因于微观结构中识别出的两种晶体取向的共存。DFT 计算证实，当磁化方向沿 $c$ 轴与沿 $a$ 轴时，反常霍尔效应和反常能斯特效应的符号相反。因此，多数取向（$c$ 轴 $\perp$ 表面）和少数取向（$a$ 轴 $\perp$ 表面）会产生符号相反的信号，从而导致观察到的复杂磁滞现象。

意义与结论
本文声称，$Fe_{4-x}Ge_xN$ 系列成功展示了通过 Ge 掺杂实现横向热磁效应可调性的能力。主要发现是在四方相 $Fe_3GeN$（$x=1$）薄膜中发现了双组分反常霍尔和能斯特效应，作者将其解释为晶体各向异性以及不同晶轴方向上这些效应符号相反的直接结果。

关于效应量级，研究报告了 $x=0$ 在室温下的最大 ANE 为 0.9 µV/K，以及 $x=1$ 在 50 K 下为 -0.85 µV/K。作者指出，$Fe_3GeN$ 在低温下 ANE 的快速增长表明，若非受限于其较低的居里温度，该材料的 ANE 可能会超过纯 $Fe_4N$。这一观察结果符合理论假设，并为进一步研究 DFT 预测可增强 ANE 的掺杂 $Fe_4N$ 体系提供了动力。本工作并未提出新的应用，但强调了这些材料在热电能量收集和热流传感方面的潜力，这建立在铁氮化物已确立的相关性基础之上。