Epitaxial growth and magnetic properties of Sm1-xGdxAl2 thin films : a zero moment ferromagnet
Croissance épitaxiale et propriétés magnétiques de films de Sm1-xGdxAl2 : un ferromagnétique sans moment
Résumé
The single-crystal growth of REAl2 (RE=Rare Earth) and slightly Gd-substituted Sm1-xGdxAl2 (SGA) thin films was performed for the first time by Molecular Beam Epitaxy. This SGA compound is the first experimental evidence of a ferromagnet without magnetisation. The growth direction of the films is [111] or [110], depending on the deposition temperature.Thermal strains in REAl2 epitaxial films, due to the high deposition temperature, lead to a magnetic anisotropy that is different from the one reported in the bulk compound. Moreover, the strains sign can be tuned by the choice of the substrate, which allows the control of the easy magnetisation direction. Thin films of SGA(111) grown onto a Al2O3 substrate present a perpendicular anisotropy, with very high coercive fields attributed to the presence of structural defects. The different temperature dependencies of antiparallely-coupled orbital and spin contributions to the moment give rise to an original thermal variation of the magnetisation that permit to consider the SGA compound as a self ferrimagnet. The substitution of Gd to Sm atoms in the films generates a magnetic compensation point, the temprature of which decreases when increasing the Gd content. At the compensation temperature, XMCD experiments show that, despite the zero magnetisation, the spin moments keep a long range ferromagnetic order. The polarisation sign is linked to the dominant contribution to the moment at the temperature where the film is previously magnetised. This spin polarisation at compensation is shown to induce an exchange anisotropy in coupled bilayers. This exchange field depends in sign an magnitude on the bilayer thermo-magnetic treatment.
La croissance de films monocristallins de composés TRAl2 (TR=terre rare) et de composés faiblement substitués Sm1-xGdxAl2 (SGA) a été pour la première fois réalisée par épitaxie par jet moléculaires. Ces composés SGA constituent la première évidence expérimentale d un ferromagnétique d aimantation nulle. La direction de croissance obtenue pour les films épitaxiés ([111] ou [110]) dépend de la température de dépôt. Les films de TRAl2 sont soumis à une déformation d origine thermique qui conduit à une modification de l anisotropie magnétique par rapport au massif. Le signe de la déformation peut être choisi selon le substrat utilisé, ce qui permet de contrôler la direction de facile aimantation. Déposés sur Al2O3, les films de SGA(111) présentent une anisotropie perpendiculaire et des champs coercitifs très supérieurs à ceux du massif, attribués à la présence de défauts. La dépendance thermique de l'aimantation est atypique, en raison des variations différentes des contributions antiparallèles L et S au moment total. Le comportement peut être considéré comme celui d un ferrimagnétique intrinsèque, dont la température de compensation magnétique diminue quand la teneur en Gd augmente. A la compensation, l étude XMCD montre que les moments de spin conservent un ordre ferromagnétique à grande distance stable en champ. Le signe de la polarisation à compensation dépend de la contribution dominante au moment à la température où le film est aimanté. L effet indirect de la polarisation de spin à compensation est d induire une anisotropie d échange dans des bicouches couplées. Ce champ d échange dépend en signe et en amplitude de la préparation thermo-magnétique du système.