Abstract The essential step for epitaxial growth of tetragonal Mn3Ge films with high perpendicular magnetic anisotropy (PMA) is to choose suitable substrates with small lattice misfit. The exploration process has involved large efforts on depositing films on single crystalline substrates using buffer layers preferably formed from Cr or Pt, but they lacked a systematically comparative investigation for practical applications. This study investigates the structural, surface and magnetic properties of ultrathin Fe (2 nm) seed layer to induce homoepitaxial Mn3Ge films on MgO (0 0 1) substrates compared with that of the heteroepitaxial Mn3Ge films on three typical buffer layers, such as Cr (40 nm), Cr (20 nm)/Pt (10 nm), Fe (2 nm)/Pt (20 nm). Furthermore, a correlation between film strain and film quality has been established, which is critical for spintronics applications. More importantly, we attribute the homoepitaxial growth of Mn3Ge films on the ultrathin Fe seed layers to the Fe diffusion and formation of Fe-Mn-Ge alloy at the interface, and confirm this supposition with HAADF-STEM characterizations. The Fe-doped Mn3Ge interlayer can act as the gradual buffer layer, and lead to a high-quality crystal structure and extremely high magnetic squareness ratio of Mn3Ge films in a large range of thickness (100 ~ 400 nm). This result offers a new concept of high-quality growth of D022-Mn3Ge films, which may enhance the prospect for tetragonal Mn3Ge thin films in superior spintronics applications.

中文翻译：

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具有高垂直磁各向异性的超薄 Fe 籽晶层上的同质外延 Mn3Ge 薄膜

摘要 外延生长具有高垂直磁各向异性 (PMA) 的四方 Mn3Ge 薄膜的关键步骤是选择合适的晶格失配较小的衬底。探索过程涉及在使用优选由 Cr 或 Pt 形成的缓冲层在单晶基板上沉积薄膜方面的大量努力，但他们缺乏对实际应用的系统比较研究。本研究研究了超薄 Fe (2 nm) 籽晶层在 MgO (0 0 1) 衬底上诱导同质外延 Mn3Ge 薄膜的结构、表面和磁性能，与在三个典型缓冲层（如 Cr ( 40 nm)、Cr (20 nm)/Pt (10 nm)、Fe (2 nm)/Pt (20 nm)。此外，已经建立了薄膜应变和薄膜质量之间的相关性，这对于自旋电子学应用至关重要。更重要的是，我们将 Mn3Ge 薄膜在超薄 Fe 种子层上的同质外延生长归因于 Fe 扩散和界面处 Fe-Mn-Ge 合金的形成，并用 HAADF-STEM 表征证实了这一假设。Fe掺杂的Mn3Ge中间层可以作为渐变缓冲层，在大范围的厚度（100~400nm）内形成高质量的Mn3Ge薄膜的晶体结构和极高的磁矩形比。这一结果提供了高质量生长 D022-Mn3Ge 薄膜的新概念，这可能会增强四方 Mn3Ge 薄膜在自旋电子学应用中的前景。我们将超薄 Fe 晶种层上 Mn3Ge 薄膜的同质外延生长归因于 Fe 扩散和界面处 Fe-Mn-Ge 合金的形成，并用 HAADF-STEM 表征证实了这一假设。Fe掺杂的Mn3Ge中间层可以作为渐变缓冲层，在大范围的厚度（100~400nm）内产生高质量的晶体结构和极高的Mn3Ge薄膜的磁性矩形比。这一结果提供了高质量生长 D022-Mn3Ge 薄膜的新概念，这可能会增强四方 Mn3Ge 薄膜在自旋电子学应用中的前景。我们将超薄 Fe 晶种层上 Mn3Ge 薄膜的同质外延生长归因于 Fe 扩散和界面处 Fe-Mn-Ge 合金的形成，并用 HAADF-STEM 表征证实了这一假设。Fe掺杂的Mn3Ge中间层可以作为渐变缓冲层，在大范围的厚度（100~400nm）内产生高质量的晶体结构和极高的Mn3Ge薄膜的磁性矩形比。这一结果提供了高质量生长 D022-Mn3Ge 薄膜的新概念，这可能会增强四方 Mn3Ge 薄膜在自旋电子学应用中的前景。并导致大范围厚度（100~400 nm）的Mn3Ge薄膜具有高质量的晶体结构和极高的磁性矩形比。这一结果提供了高质量生长 D022-Mn3Ge 薄膜的新概念，这可能会增强四方 Mn3Ge 薄膜在自旋电子学应用中的前景。并导致大范围厚度（100~400 nm）的Mn3Ge薄膜具有高质量的晶体结构和极高的磁性矩形比。这一结果提供了高质量生长 D022-Mn3Ge 薄膜的新概念，这可能会增强四方 Mn3Ge 薄膜在自旋电子学应用中的前景。