science >> Wetenschap >  >> Fysica

Ultralage magnetische demping van een gewone metalen ferromagnetische film

Verschillende berekende representatieve elektronen-DOS van Fe1−xAlx (x =0, 19, 25, en 50). Acht bcc-eenheidscellen met 16 Fe-atomen worden gebruikt om een ​​supercel te construeren voor zuivere Fe DOS-berekeningen en voor Fe1−xAlx met verschillende concentraties x waarbij Fe op verschillende plaatsen is vervangen door Al. De energieën worden gegeven ten opzichte van de Fermi-energie, Ef =5,87 eV, ter vergelijking, en inzet numerieke waarden zijn die van de DOS bij de Fermi-energie voor FeAl met verschillende samenstellingen gelabeld. Credit: wetenschappelijke vooruitgang , doi:10.1126/sciadv.abc5053

Ultralage demping is van cruciaal belang voor spintronische en spin-orbitronische toepassingen in een reeks magnetische materialen. Echter, het aantal materialen dat geschikt is voor op lading gebaseerde spintronische en spin-orbitronische toepassingen is beperkt door magnon-elektronenverstrooiing. Om de overgangsmetallische ferromagnetische demping kwantitatief te berekenen, onderzoekers hebben theoretische benaderingen voorgesteld, waaronder het ademende Fermi-oppervlakmodel (om dissipatieve magnetisatiedynamiek te beschrijven), gegeneraliseerd koppelcorrelatiemodel, verstrooiingstheorie, en het lineaire responsdempingsmodel. In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang , Yangping Wei en een team van wetenschappers in de wetenschap, magnetisme en magnetische materialen, en chemische technologie in China en Singapore hebben experimenteel een dempingsparameter uitgewerkt die 1,5 x 10 . benadert -3 voor traditionele, fundamentele ijzeraluminide (FeAl) zachte ferromagneten. De resultaten waren vergelijkbaar met die van 3-D overgangsmetalen ferromagneten op basis van het principe van minimale elektronendichtheid van toestanden.

Ultralage magnetische demping

Ultralage magnetische demping kan het mogelijk maken om te voldoen aan de energie- en snelheidsvereisten van apparaten voor spintronische en spin-orbitronische toepassingen. Ultralage demping kan, echter, zijn in tegenspraak met de laadstroomvereisten voor de meeste toepassingen, aangezien dergelijke laadstromen een hoge demping kunnen veroorzaken als gevolg van magnon-elektronenverstrooiing. Yttrium-ijzer-granaat (YIG) materialen zijn ferromagnetische isolatoren met lage demping en zijn goede kandidaten om eigenschappen van laag energieverbruik en hoge snelheid te bereiken, geschikt voor spintronic-apparaten. Vergeleken met 3D-ferromagneten van overgangsmetaal, onderzoeksinspanningen naar de magnetische demping van traditionele, fundamentele ijzeraluminide (FeAl) zachte ferromagneten, die uitstekende mechanische en functionele eigenschappen bezitten tegen lage kosten, zeldzaam blijven. De relatief lage magnetische demping die wordt bereikt voor een FeAl-metalen systeem kan het een veelbelovend materiaal maken voor spintronische en spin-orbitronische toepassingen. In dit werk, Wei et al. onderzocht de elektronische structuur van Fe 1−x Al x met behulp van dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) berekeningen uitgevoerd met het Vienna Ab initio simulatiepakket (VASP) en de gegeneraliseerde gradiëntbenadering (GGA). Het team kweekte ook een hoogwaardige monokristallijne Fe-Al-legeringsfilm met een dikte van 20 nm en een 3 nm dikke afdeklaag van aluminium op magnesiumoxide (MgO), met behulp van moleculaire bundelepitaxie (MBE) en bestudeerde het compositorische effect van demping op de legeringen. Het team gebruikte vervolgens in situ reflectie hoogenergetische elektronendiffractie (RHEED) en hoge resolutie röntgendiffractie (HRXRD) methoden om de enkelvoudige domeintextuur van de FeAl-films aan te tonen. Met behulp van frequentiesweeps met verschillende mixed-magnetisch veld ferromagnetische resonantie (FMR) metingen, Wei et al. vond lage magnetische dempingseffecten.

Röntgendiffractometrie met hoge resolutie en reflectometrie van Fe1−xAlx-legeringsfilms op MgO. (A) Longitudinale HRXRD ω-2Θ-scans van de Fe1−xAlx-legeringsfilms met verschillende Al-concentraties die op het MgO(100)-substraat zijn gegroeid. De piek met een sterretje is de reflectie van Al2O3-substraat voor het laden van monsters tijdens het testen. De kleine veranderingen in de diffractiehoek van de monsters zijn verantwoordelijk voor vervorming van het rooster, en de roosterveranderingen worden aangegeven door de vergelijking met de rode stippellijn. Voor Fe3Al, een duidelijke nieuwe diffractiepiek (200) verschijnt bij 30,7o. a.u., willekeurige eenheden. (B) Azimuthal HRXRD Ф-scans van de Fe3Al{202}- en MgO{202}-vlakken. Voor de Fe3Al/MgO-scan, vier reflecties met intervallen van 45o worden waargenomen, wat wijst op een viervoudige symmetrie in het vlak en een relatieve 45o rotatie epitaxiale groei van de Fe3Al-films op het MgO-substraat. (C) Röntgenreflectometriescans met hoge resolutie van de Fe3Al/MgO-films waarbij een overeenkomstige pasvorm (bruin) een dikte van 20 nm geeft voor Fe3Al en een ruwheid van 0,7 en 0,4 nm voor MgO en Fe3Al, respectievelijk. Inzet:HRXRD-schommelcurve van de Fe3Al (202)-piek geeft een volledige breedte bij half-maximum van 0,49°. Credit: wetenschappelijke vooruitgang , doi:10.1126/sciadv.abc5053

Dichtheidsfunctionaaltheorie berekeningen en de karakterisering van kristallijne structuren

Tijdens de studie, Wei et al. gebruikte acht lichaamsgecentreerde kubische (bcc) eenheidscellen met 16 ijzeratomen om een ​​supercel te construeren om zuivere ijzerdichtheid van toestanden (DOS) te berekenen. de Fe 1−x Al x bevatte verschillende concentraties van x, waar ijzer op verschillende plaatsen werd vervangen door aluminiumatomen. Het team behaalde verschillende representatieve DOS voor de FeAl-legering en ontdekte dat ze een minimum vertoonden op het Fermi-niveau bij aluminiumconcentraties van 25%. Het team stelde vervolgens de kamerdruk van de op maat ontworpen moleculaire bundelepitaxie in voor monstergroei in een gunstig tempo om hoogwaardige, monokristallijn Fe 1−x Al x legeringsfilms onder onevenwichtige omstandigheden. De RHEED-patronen (reflectie-hoge-energetische elektronendiffractie) toonden het bereiken van een pure single-orientation-relatie. Het team beoordeelde de afhankelijkheid van de fijne kristalstructuur van de Fe 1−x Al x films over de concentratie van aluminium met behulp van HRXRD (röntgendiffractie met hoge resolutie). Naarmate de aluminiumconcentratie toenam, zij merkten de vorming van een vaste oplossing van aluminium in ijzer op. Het team beoordeelde vervolgens de dikte en ruwheid van de films met behulp van een röntgenreflectometriescan.

  • RHEED-patronen van (a) (100)-georiënteerd MgO, de elektronenbundel is in de richting in het vlak van [010] en (b) (100)-georiënteerd MgO, de elektronenbundel is in de richting van [011] in het vlak. (C, d) RHEED-patronen van Fe1-xAlx-film erop gegroeid, respectievelijk. Credit: wetenschappelijke vooruitgang , doi:10.1126/sciadv.abc5053

  • De hoekafhankelijkheid van de remanente magnetisatie en ferromagnetische resonantie (FMR) en de afhankelijkheid van magnetokristallijne anisotropie van het Al-gehalte. (A) 0° is het startpunt langs de MgO[010]-richting in de gemeten hoek-remanente krommen die tweede minimum Mr tonen die de harde magnetisatierichting aangeeft die overeenkomt met de Fe1−xAlx [011], en Mr bereikt zijn maximale waarde bij 45o overeenkomend met de gemakkelijke magnetisatierichting langs de Fe1−xAlx [010]. De stippellijn is een richtlijn voor het identificeren van de eerste en tweede minimale Mr. (B) Magnetische hysteresislussen langs de gemakkelijke en harde magnetisatie-assen van de Fe1−xAlx die de afhankelijkheid van Al-concentratie aantonen. Het verzadigingsveld langs de gemakkelijke magnetisatierichting gelabeld met 45o blijft constant en de harde magnetisatierichting gelabeld met 0o neemt af naarmate de Al-concentraties toenemen, wat aangeeft dat de magnetokristallijne anisotropie van Fe1−xAlx zwakker wordt naarmate het Al-gehalte toeneemt. (C) Afgeleide FMR-absorptiespectra voor Fe3Al van 0o (overeenkomend met de MgO[010]-richting) tot 180o bij een microgolffrequentie van 9,4 GHz. (D) Reeks resonantievelden die zijn aangepast door de experimentele gegevens voor de extractie van H2∥ en H4∥. Credit: wetenschappelijke vooruitgang , doi:10.1126/sciadv.abc5053

Karakterisering van basismagnetisatie

Om de gemakkelijke en harde magnetiserende richtingen van de ijzer-aluminiumfilms uit te leggen, Wei et al. gemeten hoekrestcurves met behulp van een vibrerende monstermagnetometer (VSM). Aangezien de aluminiumconcentratie varieerde van nul tot 25%, de verzadigingsmagnetisatie van het monster veranderde. In de tussentijd, in de richting van de harde magnetisatie, naarmate het verzadigingsveld afnam met toenemende aluminiumconcentratie, de magnetokristallijne anisotropie werd zwakker. Om de waarde van de magnetische anisotropie van het materiaal te bepalen, het team gebruikte hoekafhankelijke ferromagnetische resonantiemetingen. Het team heeft vervolgens het dempingskoppel gemeten, bekend als Gilbert-demping in de opstelling, waar de richting werd gegeven door het vectorproduct van de magnetisatie en de afgeleide van de tijd. Bijvoorbeeld, de resulterende Gilbert-dempingsparameter (α) voor Fe 75 Al 25 films was vergelijkbaar met waarden beschreven in eerdere studies.

Bepaling van de Gilbert-demping. (A) De resonantiefrequentie verschuift hoger naarmate het externe veld toeneemt, en de frequentie-breedte-afhankelijkheid van de frequentie werd verkregen door frequentiezwaaien voor de Fe75Al25-films. (B en C) Overeenkomstige frequentiebreedte-afhankelijkheid van de frequentie voor de Fe75Al25- en Fe81Al19-films. Gilbert-dempingsparameterwaarden werden aangepast door een vergelijking die in het onderzoek was afgeleid en waren α =1,5 × 10−3 en α =2,3 × 10−3, respectievelijk. Credit: wetenschappelijke vooruitgang , doi:10.1126/sciadv.abc5053

Op deze manier, Yangping Wei en collega's observeerden ultralage magnetische demping van 1,5 x 10 -3 in traditionele FeAl kristallijne ferromagneten bij een aluminiumconcentratie van 25%. Het werk biedt een nieuwe kans om goedkope materialen te selecteren die niet beperkt zijn tot 3D-transitiemetalen elementen voor spintronische en spin-orbitronische toepassingen. Het team behaalde deze nieuwe resultaten op basis van het eerder voorgestelde principe van minimale dichtheid van staten. De resultaten bevestigden verder dat magnetische demping evenredig was met de dichtheid van toestanden op het Fermi-niveau in dezelfde legering. Het werk maakt een nieuwe benadering mogelijk voor het screenen van materialen voor spintronische en spin-orbitronische toepassingen en breidt de methode uit naar een breder scala aan materialen met een lage demping.

© 2021 Science X Network




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Hoe een onbekende bacterie in de microbiologie te identificeren
  2. Herintroductie van inheemse zoogdieren helpt dorre landschappen te herstellen
  3. Bescherming van het wild:professor helpt recreatieverstoring voor dieren in het wild tot een minimum te beperken
  4. De verschillen tussen fotosynthese en ademhaling
  5. De structuur en functie van een cel
  6. Wat zijn de vier belangrijkste methoden voor het produceren van ATP?
  7. Californische condors keren terug naar de lucht na bijna uitsterven
  8. Hoe beïnvloeden je hersenen je overlevingskansen in de wildernis?
  9. Tornado's Effecten op mensen

Wetenschap