Ferrimagnets have received renewed attention as a promising platform for spintronic applications. Of particular interest is the Mn4N from the ε-phase of the manganese nitride as an emergent rare-earth-free spintronic material due to its perpendicular magnetic anisotropy, small saturation magnetization, high thermal stability, and large domain wall velocity. We have achieved high-quality (001)-ordered Mn4N thin film by sputtering Mn onto η-phase Mn3N2 seed layers on Si substrates. As the deposited Mn thickness varies, nitrogen ion migration across the Mn3N2/Mn layers leads to a continuous evolution of the layers to Mn3N2/Mn2N/Mn4N, Mn2N/Mn4N, and eventually Mn4N alone. The ferrimagnetic Mn4N, indeed, exhibits perpendicular magnetic anisotropy and forms via a nucleation-and-growth mechanism. The nitrogen ion migration is also manifested in a significant exchange bias, up to 0.3 T at 5 K, due to the interactions between ferrimagnetic Mn4N and antiferromagnetic Mn3N2 and Mn2N. These results demonstrate a promising all-nitride magneto-ionic platform with remarkable tunability for device applications.

1.
L.
Caretta
,
M.
Mann
,
F.
Buttner
,
K.
Ueda
,
B.
Pfau
,
C. M.
Gunther
,
P.
Hessing
,
A.
Churikova
,
C.
Klose
,
M.
Schneider
,
D.
Engel
,
C.
Marcus
,
D.
Bono
,
K.
Bagschik
,
S.
Eisebitt
, and
G. S. D.
Beach
,
Nat. Nanotechnol.
13
,
1154
(
2018
).
2.
R.
Blasing
,
T. P.
Ma
,
S. H.
Yang
,
C.
Garg
,
F. K.
Dejene
,
A. T.
N'Diaye
,
G.
Chen
,
K.
Liu
, and
S. S. P.
Parkin
,
Nat. Commun.
9
,
4984
(
2018
).
3.
J.
Finley
and
L.
Liu
,
Appl. Phys. Lett.
116
,
110501
(
2020
).
4.
S. K.
Kim
,
G. S. D.
Beach
,
K.-J.
Lee
,
T.
Ono
,
T.
Rasing
, and
H.
Yang
,
Nat. Mater.
21
,
24
(
2022
).
5.
V.
Baltz
,
A.
Manchon
,
M.
Tsoi
,
T.
Moriyama
,
T.
Ono
, and
Y.
Tserkovnyak
,
Rev. Mod. Phys.
90
,
015005
(
2018
).
6.
C. O.
Avci
,
A.
Quindeau
,
C. F.
Pai
,
M.
Mann
,
L.
Caretta
,
A. S.
Tang
,
M. C.
Onbasli
,
C. A.
Ross
, and
G. S.
Beach
,
Nat. Mater.
16
,
309
(
2017
).
7.
K.
Kabara
and
M.
Tsunoda
,
J. Appl. Phys.
117
,
17b512
(
2015
).
8.
W. J.
Takei
,
R. R.
Heikes
, and
G.
Shirane
,
Phys. Rev.
125
,
1893
(
1962
).
9.
Y.
Yasutomi
,
K.
Ito
,
T.
Sanai
,
K.
Toko
, and
T.
Suemasu
,
J. Appl. Phys.
115
,
17a935
(
2014
).
10.
T.
Hirose
,
T.
Komori
,
T.
Gushi
,
A.
Anzai
,
K.
Toko
, and
T.
Suemasu
,
AIP Adv.
10
,
025117
(
2020
).
11.
S.
Isogami
,
K.
Masuda
, and
Y.
Miura
,
Phys. Rev. Mater.
4
,
014406
(
2020
).
12.
T.
Gushi
,
M.
Jovicevic Klug
,
J.
Pena Garcia
,
S.
Ghosh
,
J. P.
Attane
,
H.
Okuno
,
O.
Fruchart
,
J.
Vogel
,
T.
Suemasu
,
S.
Pizzini
, and
L.
Vila
,
Nano Lett.
19
,
8716
(
2019
).
13.
T.
Bayaraa
,
C.
Xu
, and
L.
Bellaiche
,
Phys. Rev. Lett.
127
,
217204
(
2021
).
14.
C. T.
Ma
,
T. Q.
Hartnett
,
W.
Zhou
,
P. V.
Balachandran
, and
S. J.
Poon
,
Appl. Phys. Lett.
119
,
192406
(
2021
).
15.
K.
Ito
,
Y.
Yasutomi
,
S.
Zhu
,
M.
Nurmamat
,
M.
Tahara
,
K.
Toko
,
R.
Akiyama
,
Y.
Takeda
,
Y.
Saitoh
,
T.
Oguchi
,
A.
Kimura
, and
T.
Suemasu
,
Phys. Rev. B
101
,
104401
(
2020
).
16.
S.
Ghosh
,
T.
Komori
,
A.
Hallal
,
J.
Pena Garcia
,
T.
Gushi
,
T.
Hirose
,
H.
Mitarai
,
H.
Okuno
,
J.
Vogel
,
M.
Chshiev
,
J. P.
Attane
,
L.
Vila
,
T.
Suemasu
, and
S.
Pizzini
,
Nano Lett.
21
,
2580
(
2021
).
17.
S.
Isogami
,
M.
Ohtake
, and
Y. K.
Takahashi
,
J. Appl. Phys.
131
,
073904
(
2022
).
18.
N. A.
Gokcen
,
Bull. Alloy Phase Diagrams
11
,
33
(
1990
).
19.
K.
Suzuki
,
T.
Kaneko
,
H.
Yoshida
,
Y.
Obi
,
H.
Fujimori
, and
H.
Morita
,
J. Alloys Compd.
306
,
66
(
2000
).
20.
A.
Leineweber
,
R.
Niewa
,
H.
Jacobs
, and
W.
Kockelmann
,
J. Mater. Chem.
10
,
2827
(
2000
).
21.
H.
Yang
,
H.
Al-Brithen
,
A. R.
Smith
,
J. A.
Borchers
,
R. L.
Cappelletti
, and
M. D.
Vaudin
,
Appl. Phys. Lett.
78
,
3860
(
2001
).
22.
Y.
Liu
,
L.
Xu
,
X.
Li
,
P.
Hu
, and
S.
Li
,
J. Appl. Phys.
107
,
103914
(
2010
).
23.
M.
Weisheit
,
S.
Fähler
,
A.
Marty
,
Y.
Souche
,
C.
Poinsignon
, and
D.
Givord
,
Science
315
,
349
(
2007
).
24.
U.
Bauer
,
L.
Yao
,
A. J.
Tan
,
P.
Agrawal
,
S.
Emori
,
H. L.
Tuller
,
S.
van Dijken
, and
G. S. D.
Beach
,
Nat. Mater.
14
,
174
(
2015
).
25.
C.
Bi
,
Y.
Liu
,
T.
Newhouse-Illige
,
M.
Xu
,
M.
Rosales
,
J. W.
Freeland
,
O.
Mryasov
,
S.
Zhang
,
S. G. E.
Te Velthuis
, and
W. G.
Wang
,
Phys. Rev. Lett.
113
,
267202
(
2014
).
26.
D. A.
Gilbert
,
J.
Olamit
,
R. K.
Dumas
,
B. J.
Kirby
,
A. J.
Grutter
,
B. B.
Maranville
,
E.
Arenholz
,
J. A.
Borchers
, and
K.
Liu
,
Nat. Commun.
7
,
11050
(
2016
).
27.
D. A.
Gilbert
,
A. J.
Grutter
,
E.
Arenholz
,
K.
Liu
,
B. J.
Kirby
,
J. A.
Borchers
, and
B. B.
Maranville
,
Nat. Commun.
7
,
12264
(
2016
).
28.
K.
Duschek
,
D.
Pohl
,
S.
Fähler
,
K.
Nielsch
, and
K.
Leistner
,
APL Mater.
4
,
032301
(
2016
).
29.
J.
Walter
,
H.
Wang
,
B.
Luo
,
C. D.
Frisbie
, and
C.
Leighton
,
ACS Nano
10
,
7799
(
2016
).
30.
A.
Quintana
,
E.
Menendez
,
M. O.
Liedke
,
M.
Butterling
,
A.
Wagner
,
V.
Sireus
,
P.
Torruella
,
S.
Estrade
,
F.
Peiro
,
J.
Dendooven
,
C.
Detavernier
,
P. D.
Murray
,
D. A.
Gilbert
,
K.
Liu
,
E.
Pellicer
,
J.
Nogues
, and
J.
Sort
,
ACS Nano
12
,
10291
(
2018
).
31.
A. J.
Tan
,
M.
Huang
,
C. O.
Avci
,
F.
Büttner
,
M.
Mann
,
W.
Hu
,
C.
Mazzoli
,
S.
Wilkins
,
H. L.
Tuller
, and
G. S. D.
Beach
,
Nat. Mater.
18
,
35
(
2019
).
32.
L.
Herrera Diez
,
Y. T.
Liu
,
D. A.
Gilbert
,
M.
Belmeguenai
,
J.
Vogel
,
S.
Pizzini
,
E.
Martinez
,
A.
Lamperti
,
J. B.
Mohammedi
,
A.
Laborieux
,
Y.
Roussigné
,
A. J.
Grutter
,
E.
Arenholtz
,
P.
Quarterman
,
B.
Maranville
,
S.
Ono
,
M. S. E.
Hadri
,
R.
Tolley
,
E. E.
Fullerton
,
L.
Sanchez-Tejerina
,
A.
Stashkevich
,
S. M.
Chérif
,
A. D.
Kent
,
D.
Querlioz
,
J.
Langer
,
B.
Ocker
, and
D.
Ravelosona
,
Phys. Rev. Appl.
12
,
034005
(
2019
).
33.
J.
Zehner
,
R.
Huhnstock
,
S.
Oswald
,
U.
Wolff
,
I.
Soldatov
,
A.
Ehresmann
,
K.
Nielsch
,
D.
Holzinger
, and
K.
Leistner
,
Adv. Electron. Mater.
5
,
1900296
(
2019
).
34.
J.
de Rojas
,
A.
Quintana
,
A.
Lopeandía
,
J.
Salguero
,
B.
Muñiz
,
F.
Ibrahim
,
M.
Chshiev
,
A.
Nicolenco
,
M. O.
Liedke
,
M.
Butterling
,
A.
Wagner
,
V.
Sireus
,
L.
Abad
,
C. J.
Jensen
,
K.
Liu
,
J.
Nogués
, and
J. L.
Costa-Krämer
,
Nat. Commun.
11
,
5871
(
2020
).
35.
G.
Chen
,
A.
Mascaraque
,
H.
Jia
,
B.
Zimmermann
,
M.
Robertson
,
R. L.
Conte
,
M.
Hoffmann
,
M. A.
González Barrio
,
H.
Ding
,
R.
Wiesendanger
,
E. G.
Michel
,
S.
Blügel
,
A. K.
Schmid
, and
K.
Liu
,
Sci. Adv.
6
,
eaba4924
(
2020
).
36.
J.
Walter
,
B.
Voigt
,
E.
Day-Roberts
,
K.
Heltemes
,
R. M.
Fernandes
,
T.
Birol
, and
C.
Leighton
,
Sci. Adv.
6
,
eabb7721
(
2020
).
37.
G.
Chen
,
M.
Robertson
,
M.
Hoffmann
,
C.
Ophus
,
A. L. F.
Cauduro
,
R.
Lo Conte
,
H. F.
Ding
,
R.
Wiesendanger
,
S.
Blügel
,
A. K.
Schmid
, and
K.
Liu
,
Phys. Rev. X
11
,
021015
(
2021
).
38.
Y.
Guan
,
X.
Zhou
,
F.
Li
,
T.
Ma
,
S.-H.
Yang
, and
S. S. P.
Parkin
,
Nat. Commun.
12
,
5002
(
2021
).
39.
Q.
Wang
,
Y.
Gu
,
C.
Chen
,
F.
Pan
, and
C.
Song
,
J. Phys. Chem. Lett.
13
,
10065
(
2022
).
40.
G.
Chen
,
C.
Ophus
,
A.
Quintana
,
H.
Kwon
,
C.
Won
,
H.
Ding
,
Y.
Wu
,
A. K.
Schmid
, and
K.
Liu
,
Nat. Commun.
13
,
1350
(
2022
).
41.
J.
de Rojas
,
J.
Salguero
,
F.
Ibrahim
,
M.
Chshiev
,
A.
Quintana
,
A.
Lopeandia
,
M. O.
Liedke
,
M.
Butterling
,
E.
Hirschmann
,
A.
Wagner
,
L.
Abad
,
J. L.
Costa-Kramer
,
E.
Menendez
, and
J.
Sort
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
13
,
30826
(
2021
).
42.
J.
de Rojas
,
A.
Quintana
,
G.
Rius
,
C.
Stefani
,
N.
Domingo
,
J. L.
Costa-Krämer
,
E.
Menéndez
, and
J.
Sort
,
Appl. Phys. Lett.
120
,
070501
(
2022
).
43.
Z.
Tan
,
S.
Martins
,
M.
Escobar
,
J.
de Rojas
,
F.
Ibrahim
,
M.
Chshiev
,
A.
Quintana
,
A.
Lopeandia
,
J. L.
Costa-Krämer
,
E.
Menéndez
, and
J.
Sort
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
14
,
44581
(
2022
).
44.
C. J.
Jensen
,
A.
Quintana
,
P.
Quarterman
,
A. J.
Grutter
,
P. P.
Balakrishnan
,
H.
Zhang
,
A. V.
Davydov
,
X.
Zhang
, and
K.
Liu
,
ACS Nano
17
,
6745
(
2023
).
45.
K. M.
Ching
,
W. D.
Chang
,
T. S.
Chin
,
J. G.
Duh
, and
H. C.
Ku
,
J. Appl. Phys.
76
,
6582
(
1994
).
46.
S.
Nakagawa
and
M.
Naoe
,
J. Appl. Phys.
75
,
6568
(
1994
).
47.
C. R.
Pike
,
A. P.
Roberts
, and
K. L.
Verosub
,
J. Appl. Phys.
85
,
6660
(
1999
).
48.
J. E.
Davies
,
O.
Hellwig
,
E. E.
Fullerton
,
G.
Denbeaux
,
J. B.
Kortright
, and
K.
Liu
,
Phys. Rev. B
70
,
224434
(
2004
).
49.
D. A.
Gilbert
,
G. T.
Zimanyi
,
R. K.
Dumas
,
M.
Winklhofer
,
A.
Gomez
,
N.
Eibagi
,
J. L.
Vicent
, and
K.
Liu
,
Sci. Rep.
4
,
4204
(
2014
).
50.
J. A.
De Toro
,
M.
Vasilakaki
,
S. S.
Lee
,
M. S.
Andersson
,
P. S.
Normile
,
N.
Yaacoub
,
P.
Murray
,
E. H.
Sánchez
,
P.
Muñiz
,
D.
Peddis
,
R.
Mathieu
,
K.
Liu
,
J.
Geshev
,
K. N.
Trohidou
, and
J.
Nogués
,
Chem. Mater.
29
,
8258
(
2017
).
51.
E. C.
Burks
,
D. A.
Gilbert
,
P. D.
Murray
,
C.
Flores
,
T. E.
Felter
,
S.
Charnvanichborikarn
,
S. O.
Kucheyev
,
J. D.
Colvin
,
G.
Yin
, and
K.
Liu
,
Nano Lett.
21
,
716
(
2021
).
52.
W.
Li
,
X.
Xu
,
T.
Gao
,
T.
Harumoto
,
Y.
Nakamura
, and
J.
Shi
,
J. Phys. D
55
,
275004
(
2022
).
53.
M.
Tabuchi
,
M.
Takahashi
, and
F.
Kanamaru
,
J. Alloys Compd.
210
,
143
(
1994
).
54.
R.
Yu
,
X.
Chong
,
Y.
Jiang
,
R.
Zhou
,
W.
Yuan
, and
J.
Feng
,
RSC Adv.
5
,
1620
(
2015
).
55.
A. L.
Patterson
,
Phys. Rev.
56
,
978
(
1939
).
56.
X.
Shen
,
A.
Chikamatsu
,
K.
Shigematsu
,
Y.
Hirose
,
T.
Fukumura
, and
T.
Hasegawa
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
072410
(
2014
).
57.
W.
Zhou
,
C. T.
Ma
,
T. Q.
Hartnett
,
P. V.
Balachandran
, and
S. J.
Poon
,
AIP Adv.
11
,
015334
(
2021
).
58.
A.
Foley
,
J.
Corbett
,
A.
Khan
,
A. L.
Richard
,
D. C.
Ingram
,
A. R.
Smith
,
L.
Zhao
,
J. C.
Gallagher
, and
F.
Yang
,
J. Magn. Magn. Mater.
439
,
236
(
2017
).
59.
D. A.
Gilbert
,
J. W.
Liao
,
L. W.
Wang
,
J. W.
Lau
,
T. J.
Klemmer
,
J. U.
Thiele
,
C. H.
Lai
, and
K.
Liu
,
APL Mater.
2
,
086106
(
2014
).
60.
J.
Nogués
and
I. K.
Schuller
,
J. Magn. Magn. Mater.
192
,
203
(
1999
).
61.
S. M.
Zhou
,
K.
Liu
, and
C. L.
Chien
,
Phys. Rev. B
58
,
R14717
(
1998
).
62.
R. L.
Stamps
,
J. Phys. D
33
,
R247
(
2000
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.