Videnskab
 science >> Videnskab >  >> Fysik

Ultralav magnetisk dæmpning af en almindelig metallisk ferromagnetisk film

Flere beregnede repræsentative elektron DOS af Fe1−xAlx (x =0, 19, 25, og 50). Otte bcc-enhedsceller med 16 Fe-atomer bruges til at konstruere en supercelle til rene Fe DOS-beregninger og til Fe1−xAlx med forskellige koncentrationer x, hvor Fe på forskellige steder er erstattet af Al. Energierne er givet i forhold til Fermi-energien, Ef =5,87 eV, til sammenligning, og indsatte numeriske værdier er dem for DOS ved Fermi-energien for FeAl med forskellige sammensætninger mærket. Kredit: Videnskab fremskridt , doi:10.1126/sciadv.abc5053

Ultralav dæmpning er af afgørende betydning for spintronic og spin-orbitronic applikationer i en række magnetiske materialer. Imidlertid, antallet af materialer, der er egnede til ladningsbaserede spintronic og spin-orbitronic applikationer, er begrænset på grund af magnon-elektron spredning. For kvantitativt at beregne overgangen metallisk ferromagnetisk dæmpning, forskere har foreslået teoretiske tilgange, herunder Fermi-overflademodellen med vejrtrækning (for at beskrive dissipativ magnetiseringsdynamik), generaliseret momentkorrelationsmodel, spredningsteori, og den lineære respons dæmpningsmodel. I en ny rapport, der nu er offentliggjort den Videnskab fremskridt , Yangping Wei og et hold af videnskabsmænd, magnetisme og magnetiske materialer, og kemiteknik i Kina og Singapore detaljerede eksperimentelt en dæmpningsparameter, der nærmede sig 1,5 x 10 -3 for traditionelle, grundlæggende jernaluminid (FeAl) bløde ferromagneter. Resultaterne var sammenlignelige med resultaterne af 3-D overgang metalliske ferromagneter baseret på princippet om minimal elektrontæthed af tilstande.

Ultralav magnetisk dæmpning

Ultralav magnetisk dæmpning kan gøre det muligt at opfylde energi- og hastighedskravene for enheder til spintroniske og spin-orbitronic-applikationer. Ultralav dæmpningsdåse, imidlertid, modsiger ladestrømskravene for de fleste applikationer, da sådanne ladestrømme kan forårsage høj dæmpning på grund af magnon-elektronspredning. Yttrium-jern-granat (YIG) materialer er ferromagnetiske isolatorer med lav dæmpning og er gode kandidater til at opnå egenskaber med lavt energiforbrug og høj hastighed, velegnet til spintronic enheder. Sammenlignet med 3-D overgangsmetal ferromagneter, forskningsindsats om magnetisk dæmpning af traditionelle, grundlæggende jernaluminid (FeAl) bløde ferromagneter, som har fremragende mekaniske og funktionelle egenskaber til en lav pris, forblive sjældne. Den forholdsvis lave magnetiske dæmpning opnået for et FeAl metallisk system kan gøre det til et lovende materiale til spintroniske og spin-orbitronic applikationer. I dette arbejde, Wei et al. undersøgte den elektroniske struktur af Fe 1-x Al x ved hjælp af density functional theory (DFT) beregninger udført med Vienna Ab initio simulation package (VASP) og generalized gradient approksimation (GGA). Holdet dyrkede også en højkvalitets enkeltkrystallinsk Fe-Al-legeringsfilm med en tykkelse på 20 nm og et 3 nm tykt dækkende aluminiumlag på magnesiumoxid (MgO), ved hjælp af molekylær stråleepitaksi (MBE) og undersøgte den sammensætningsmæssige effekt af dæmpning på legeringerne. Holdet brugte derefter in situ refleksion højenergi elektron diffraktion (RHEED) og høj opløsning røntgendiffraktion (HRXRD) metoder til at demonstrere enkelt domæne tekstur af FeAl filmene. Brug af frekvenssweep med forskellige målinger af blandet magnetisk felt ferromagnetisk resonans (FMR), Wei et al. fundet lave magnetiske dæmpningseffekter.

Højopløsnings røntgendiffraktometri og reflektometri af Fe1−xAlx legeringsfilm på MgO. (A) Langsgående HRXRD ω-2Θ-scanninger af Fe1−xAlx-legeringsfilmene med forskellige Al-koncentrationer dyrket på MgO(100)-substratet. Toppen med stjerne er reflektionen af ​​Al2O3-substratet til påfyldning af prøver under testning. De små ændringer i diffraktionsvinklen for prøverne er årsag til forvrængning af gitteret, og gitterændringerne er angivet ved sammenligningen med den røde stiplede linje. For Fe3Al, en tydelig ny diffraktionstop (200) vises ved 30,7o. a.u., vilkårlige enheder. (B) Azimuthal HRXRD Ф scanninger af Fe3Al{202} og MgO{202} flyene. Til Fe3Al/MgO-scanningen, fire refleksioner med 45o intervaller observeres, hvilket indikerer en firedobbelt symmetri i planet og en relativ 45o rotation epitaksial vækst af Fe3Al-filmene på MgO-substratet. (C) Højopløselige røntgenreflektometriscanninger af Fe3Al/MgO-filmene, hvor en tilsvarende pasform (brun) giver en tykkelse på 20 nm for Fe3Al og en ruhed på 0,7 og 0,4 nm for MgO og Fe3Al, henholdsvis. Indsat:HRXRD-rokkekurve for Fe3Al (202)-toppen giver en fuld bredde ved halvt maksimum på 0,49°. Kredit: Videnskab fremskridt , doi:10.1126/sciadv.abc5053

Tæthedsfunktionsteoretiske beregninger og karakterisering af krystallinske strukturer

Under studiet, Wei et al. brugte otte kropscentrerede kubiske (bcc) enhedsceller med 16 jernatomer til at konstruere en supercelle til at beregne ren jerndensitet af tilstande (DOS). Fe 1-x Al x indeholdt forskellige koncentrationer af x, hvor jern på forskellige steder blev erstattet af aluminium atomer. Holdet opnåede flere repræsentative DOS for FeAl-legeringen og fandt, at de udviste et minimum på Fermi-niveau ved aluminiumkoncentrationer på 25 %. Holdet indstillede derefter kammertrykket for den specialdesignede molekylære stråleepitaxi til prøvevækst med en gunstig hastighed for at fremstille høj kvalitet, enkeltkrystallinsk Fe 1-x Al x legeringsfilm under ikke-ligevægtsforhold. RHEED-mønstrene (reflektionshøjenergielektrondiffraktion) viste opnåelsen af ​​et rent enkeltorienteringsforhold. Holdet vurderede afhængigheden af ​​den fine krystalstruktur af Fe 1-x Al x film om koncentrationen af ​​aluminium ved hjælp af HRXRD (højopløsnings røntgendiffraktion). Efterhånden som aluminiumkoncentrationen steg, de bemærkede dannelsen af ​​en fast opløsning af aluminium i jern. Holdet vurderede derefter tykkelsen og ruheden af ​​filmene ved hjælp af en røntgenreflektometriscanning.

  • RHEED-mønstre af (a) (100)-orienteret MgO, elektronstrålen er langs retningen i planet af [010] og (b) (100)-orienteret MgO, elektronstrålen er langs retningen i planet af [011]. (c, d) RHEED-mønstre af Fe1-xAlx-film dyrket på den, henholdsvis. Kredit: Videnskab fremskridt , doi:10.1126/sciadv.abc5053

  • Vinkelafhængigheden af ​​den remanente magnetisering og ferromagnetisk resonans (FMR) og afhængigheden af ​​magnetokrystallinsk anisotropi af Al-indhold. (A) 0° er startpunktet langs MgO[010]-retningen i de målte vinkel-remanente kurver, der viser anden minimum Mr, der angiver den hårde magnetiseringsretning svarende til Fe1−xAlx [011], og Mr når sin maksimale værdi ved 45o svarende til den lette magnetiseringsretning langs Fe1−xAlx [010]. Den stiplede linje er en guide til at identificere det første og andet minimum Mr. (B) Magnetiske hysterese-løkke langs de lette og hårde magnetiseringsakser af Fe1−xAlx, der viser afhængigheden af ​​Al-koncentrationen. Mætningsfeltet langs den lette magnetiseringsretning mærket med 45o forbliver konstant, og den hårde magnetiseringsretning mærket med 0o falder, når Al-koncentrationerne stiger, hvilket indikerer, at den magnetokrystallinske anisotropi af Fe1−xAlx bliver svagere med stigende Al-indhold. (C) Afledte FMR-absorptionsspektre for Fe3Al fra 0o (svarende til MgO[010]-retningen) til 180o ved en mikrobølgefrekvens på 9,4 GHz. (D) Serie af resonansfelter tilpasset af de eksperimentelle data til ekstraktion af H2∥ og H4∥. Kredit: Videnskab fremskridt , doi:10.1126/sciadv.abc5053

Karakterisering af grundlæggende magnetisering

For at forklare de lette og hårde magnetiseringsretninger af jern-aluminium-filmene, Wei et al. målte vinkel-restkurver ved hjælp af et vibrerende prøvemagnetometer (VSM). Da aluminiumkoncentrationen varierede fra nul til 25 %, mætningsmagnetiseringen af ​​prøven ændrede sig. I mellemtiden, i den hårde magnetiseringsretning, da mætningsfeltet faldt med stigende aluminiumkoncentration, den magnetokrystallinske anisotropi blev svagere. For at bestemme værdien af ​​materialets magnetiske anisotropi, holdet brugte vinkelafhængige ferromagnetiske resonansmålinger. Holdet målte derefter dæmpningsmomentet, kendt som Gilbert-dæmpning i opsætningen, hvor dens retning blev givet af vektorproduktet af magnetiseringen og dens tidsafledte. For eksempel, den resulterende Gilbert-dæmpningsparameter (α) for Fe 75 Al 25 film var sammenlignelige med værdier beskrevet i tidligere undersøgelser.

Bestemmelse af Gilbert-dæmpning. (A) Resonansfrekvensen skifter højere, når det eksterne felt øges, og frekvensbreddeafhængigheden af ​​frekvensen blev opnået ved frekvenssweep for Fe75Al25-filmene. (B og C) Tilsvarende frekvensbreddeafhængighed af frekvensen for Fe75Al25- og Fe81Al19-filmene. Gilbert dæmpningsparameterværdier blev tilpasset af en ligning udledt i undersøgelsen og var α =1,5 × 10−3 og α =2,3 × 10−3, henholdsvis. Kredit: Videnskab fremskridt , doi:10.1126/sciadv.abc5053

På denne måde, Yangping Wei og kolleger observerede ultralav magnetisk dæmpning på 1,5 x 10 -3 i traditionelle FeAl krystallinske ferromagneter ved en aluminiumkoncentration på 25%. Værket giver en ny mulighed for at vælge billige materialer, ikke begrænset til 3-D overgangsmetalliske elementer til spintroniske og spin-orbitronic applikationer. Holdet opnåede disse nye resultater på grundlag af princippet om minimumstæthed af stater foreslået tidligere. Resultaterne bekræftede yderligere, at magnetisk dæmpning var proportional med tætheden af ​​tilstande på Fermi-niveauet i den samme legering. Arbejdet muliggør en ny tilgang til skærmmaterialer til spintronic og spin-orbitronic applikationer og udvider metoden til et bredere udvalg af lavdæmpende materialer.

© 2021 Science X Network




Varme artikler