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南科大汪宏教授課題組 AFM: 高熵鐵氧體薄膜的強(qiáng)亞鐵磁性和可切換磁各向異性

時(shí)間：2023-02-10 來源： 瀏覽：

南科大汪宏教授課題組 AFM: 高熵鐵氧體薄膜的強(qiáng)亞鐵磁性和可切換磁各向異性

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收錄于合集
#尖晶石 3 個(gè)
#高熵氧化物 6 個(gè)
#磁性絕緣體 2 個(gè)
#磁各向異性 2 個(gè)
#強(qiáng)磁性 2 個(gè)

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亞鐵磁絕緣（ FMI ）材料在射頻技術(shù)、微波通信、輻射計(jì)、精密儀器等方面有著廣泛的應(yīng)用。無線通信的快速發(fā)展對電子設(shè)備提出了更高的要求，包括小型化、集成化和高頻操作。開發(fā)具有可調(diào)磁各向異性、優(yōu)越飽和磁化強(qiáng)度（ M S ），較高的電阻率（ ρ ）的多功能 FMI 材料對于實(shí)現(xiàn)下一代無耗散電子和高頻自旋電子器件至關(guān)重要。然而，自然界中的 FMI 材料難以滿足對多功能設(shè)備日益增長的需求。
針對上述問題， 南方科技大學(xué)材料科學(xué)與工程系汪宏教授團(tuán)隊(duì)以 “ Robust Ferrimagnetism and Switchable Magnetic Anisotropy in High-Entropy Ferrite Film ” 為題，在國際頂級期刊 Advanced Functional Materials 上發(fā)表研究論文 （ DOI:  10.1002/adfm.202214273 ）。該團(tuán)隊(duì)利用高熵的多元素隨機(jī)分布以及多離子之間的相互作用特性，以 高熵 (CrMnFeCoNi) 3 O 4 （ CMFCN ） 為研究對象 ，揭示了高熵 (CrMnFeCoNi) 3 O 4 薄膜的厚度與結(jié)構(gòu)和磁性之間的關(guān)系。其中，厚度為 10 nm 的高熵薄膜展現(xiàn)出超高飽和磁化強(qiáng)度（ 1198 emu·cm -3 ）、低矯頑力（ 90 Oe ）以及高電阻率（ 1233 Ω·cm ）。此外，所有高熵薄膜都表現(xiàn)出較大的磁各向異性，同時(shí)發(fā)現(xiàn)隨著薄膜厚度增加，易磁化軸從面內(nèi)方向切換為面外方向。這些優(yōu)異的磁性能和可切換的磁軸一直是自旋電子學(xué)追求的熱點(diǎn)。這項(xiàng)工作證明了通過高熵多元素設(shè)計(jì)開發(fā)具有綜合性能優(yōu)異的新型磁性材料提供了一個(gè)新思路。
圖 1: 高熵 CMFCN 薄膜中晶體結(jié)構(gòu)隨厚度的變化情況。由圖 1 （ a ）的 XRD 展現(xiàn)出隨著薄膜厚度逐漸增加高熵薄膜的第二相衍射峰出現(xiàn)，且衍射峰強(qiáng)度逐漸增加并最終占主導(dǎo)地位。圖 1 （ b-g ）的倒易空間圖也證實(shí)了這一點(diǎn)。
圖 2 ： 10 nm 和 60 nm CMFCN 薄膜的高分辨率 HAADF-STEM 圖像以及相應(yīng)的 EDS 元素圖。圖 2 （ a ）表明 10 nm 高熵 CMFCN 中無反相界（ APB ）缺陷，而圖 2 （ b-d ）表明 60 nm 高熵薄膜中有缺陷存在，且證實(shí)了缺陷隨機(jī)分布于薄膜的晶體結(jié)構(gòu)中。結(jié)合 XRD 和高分辨 STEM 結(jié)果證實(shí)了厚度增加會導(dǎo)致巖鹽相的形成。
圖 3: 不同厚度高熵 CMFCN 薄膜的拉曼光譜和 XAS 光譜圖。
圖 4: （ a–f ）不同厚度高熵 CMFCN 薄膜 300 K 的面內(nèi)和面外磁滯回線，所有薄膜都表現(xiàn)出大的磁各向異性。厚度較薄時(shí)具有大的飽和磁化強(qiáng)度，且磁易軸為面內(nèi)。隨著厚度的增加磁易軸為面外且薄膜磁化強(qiáng)度大大降低，這可能是由于巖鹽結(jié)構(gòu)的反鐵磁相所引起的。（ g ）由于晶格畸變引起的反鐵磁矩傾斜圖。（ h ） 60 nm 薄膜 10 K 的交換偏置曲線，驗(yàn)證了巖鹽結(jié)構(gòu)的反鐵磁相互作用。（ i ， j ）分別為 CMFCN 薄膜 10 nm 和 60 nm 的 MFM 圖像。
圖 5 ：（ a-c ）不同厚度的高熵 CMFCN 薄膜的 M-T 曲線，圖（ a ） 10 nm 薄膜的面內(nèi)磁化強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于面外，表明磁化軸為面內(nèi)；圖（ b-c ）面外磁化強(qiáng)度大于面內(nèi)，表明易磁化軸為面外，與圖 4 （ a-f ）相對應(yīng)。（ d-e ） 10 nm 高熵 CMFCN 薄膜 10~400 K 的面內(nèi) M – H   曲線以及對應(yīng)的放大圖。（ f ） 10 nm 高熵 CMFCN 薄膜的 ρ– T 曲線。
圖 6 ：不同磁性絕緣材料的 ρ 和   M S 數(shù)值比較。高熵 CMFCN 薄膜相比于其他薄膜，展現(xiàn)出超高的飽和磁化強(qiáng)度和優(yōu)異的磁絕緣性能。

原文鏈接

  https://doi.org/10.1002/adfm.202214273

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