Structural and magnetic features of solid-phase transformations in Mn/Bi and Bi/Mn films

Abstract

Solid-phase transformations at different annealing temperatures in Mn/Bi (Mn on Bi) and Bi/Mn (Bi on Mn) films have been studied using X-ray diffraction, electron microscopy, and magnetic measurements. It has been shown that the synthesis of the α-MnBi phase in polycrystalline Mn/Bi films begins at a temperature of ~120°C and the Mn and Bi layers react completely at 300°C. The resulting α-MnBi(001) samples have a large perpendicular magnetic anisotropy (Ku ≃ 1.5 × 107 erg/cm3) and a coercive force H > HC ~ 3 kOe. In contrast to Mn/Bi, the ferromagnetic α-MnBi phase in Bi/Mn films is not formed even at annealing processes up to 400°C and Mn clusters are formed in a Bi melt. This asymmetry in phase transformations occurs because chemosorbed oxygen existing on the surface of the Mn film in Bi/Mn films suppresses a solid-phase reaction between Mn and Bi. The analysis of the results obtained implies the existence of new low-temperature (~120°C) structural transformation in the Mn–Bi system.

Твердофазные превращения в зависимости от температуры отжига в Mn/Bi (Mn на Bi) и Bi/Mn ( Bi на Mn) пленках исследовались с использованием рентгеновской дифракции, электронной микроскопии и магнитных измерений. Показано, что синтез альфа-MnBi фазы в поликристаллических Mn/Bi пленках начинается при при температуре 120 К и при 300 К слои Mn и Bi реагируют полностью. Полученные образцы альфа-MnBi(001) обладали большой перпендикулярной анизотропией и большой коэрцитивной силой H>Hc =3 kЭ. В отличие от Mn/Bi в пленках Bi/Mn даже при отжигах до 400 С ферромагнитная альфа-MnBi фаза не образовывалась, а наблюдалось образование кластеров Mn в расплаве Bi. Данная асиметрия в фазовых превращениях объясняется существованием в пленке Bi/Mn на поверхности Mn хемосорбционного кислорода, который подавляет твердофазную реакцию между Mn и Bi. На основании анализа результатов проведенныъх исследований предполагается существование низкотемпературного (120 С) структурного превращения в Mn-Bi-системе.