Flera beräknade representativa elektron-DOS för Fe1−xAlx (x =0, 19, 25, och 50). Åtta bcc-enhetsceller med 16 Fe-atomer används för att konstruera en supercell för rena Fe DOS-beräkningar och för Fe1−xAlx med olika koncentrationer x där Fe på olika platser ersätts med Al. Energierna ges i förhållande till Fermi-energin, Ef =5,87 eV, för jämförelse, och insatta numeriska värden är de för DOS vid Fermi-energin för FeAl med olika sammansättningar märkta. Kreditera: Vetenskapliga framsteg , doi:10.1126/sciadv.abc5053
Ultralåg dämpning är av avgörande betydelse för spintroniska och spin-orbitronic-applikationer i en rad magnetiska material. Dock, antalet material som är lämpade för laddningsbaserade spintroniska och spin-orbitronic applikationer är begränsat på grund av magnon-elektronspridning. För att kvantitativt beräkna övergångsmetallisk ferromagnetisk dämpning, forskare har föreslagit teoretiska tillvägagångssätt, inklusive den andande Fermi ytmodellen (för att beskriva dissipativ magnetiseringsdynamik), generaliserad vridmomentkorrelationsmodell, spridningsteori, och den linjära responsdämpningsmodellen. I en ny rapport som nu publiceras den Vetenskapliga framsteg , Yangping Wei och ett team av vetenskapsmän, magnetism och magnetiska material, och kemiteknik i Kina och Singapore detaljerade experimentellt en dämpningsparameter som närmade sig 1,5 x 10 -3 för traditionella, mjuka ferromagneter av grundläggande järnaluminid (FeAl). Resultaten var jämförbara med resultaten för 3D-övergångsmetalliska ferromagneter baserade på principen om minsta elektrontäthet för tillstånd.
Ultralåg magnetisk dämpning
Ultralåg magnetisk dämpning kan göra det möjligt att uppfylla energi- och hastighetskraven för enheter för spintroniska och spin-orbitronic-applikationer. Ultralåg dämpningsburk, dock, motsäger laddningsströmkraven för de flesta applikationer eftersom sådana laddningsströmmar kan orsaka hög dämpning på grund av magnon-elektronspridning. Yttrium-järn-granat (YIG) material är ferromagnetiska isolatorer med låg dämpning och är bra kandidater för att uppnå egenskaper med låg energiförbrukning och hög hastighet, lämplig för spintronic -enheter. Jämfört med 3D-övergångsmetallferromagneter, forskningsinsatser om magnetisk dämpning av traditionella, grundläggande järnaluminid (FeAl) mjuka ferromagneter, som har utmärkta mekaniska och funktionella egenskaper till en låg kostnad, förbli sällsynt. Den jämförelsevis låga magnetiska dämpningen som uppnås för ett FeAl-metallsystem kan göra det till ett lovande material för spintroniska och spin-orbitronic-applikationer. I det här arbetet, Wei et al. undersökte den elektroniska strukturen hos Fe 1 − x Al x med hjälp av beräkning av densitetsfunktionsteori (DFT) som utförts med Wien Ab initio -simuleringspaketet (VASP) och generaliserad gradient -approximation (GGA). Teamet odlade också en högkvalitativ enkristallin Fe-Al-legeringsfilm med en tjocklek på 20 nm och ett 3 nm tjockt täckande aluminiumskikt på magnesiumoxid (MgO), med hjälp av molekylär strålepitaxi (MBE) och studerade den sammansättningsmässiga effekten av dämpning på legeringarna. Teamet använde sedan in situ-reflektion högenergielektrondiffraktion (RHEED) och högupplöst röntgendiffraktion (HRXRD) metoder för att demonstrera den enda domänstrukturen hos FeAl-filmerna. Använda frekvenssvepningar med olika blandade magnetiska fält ferromagnetiska resonansmätningar (FMR), Wei et al. hittade låga magnetiska dämpningseffekter.
Högupplöst röntgendiffraktometri och reflektometri av Fe1−xAlx legeringsfilmer på MgO. (A) Longitudinella HRXRD ω-2Θ-skanningar av Fe1−xAlx-legeringsfilmerna med olika Al-koncentrationer odlade på MgO(100)-substratet. Den asteriska toppen är reflektionen av Al2O3-substrat för att ladda prover under testning. De små förändringarna i diffraktionsvinkeln för proven står för förvrängning av gittret, och gitterförändringarna indikeras av jämförelsen med den röda streckade linjen. För Fe3Al, en uppenbar ny diffraktionstopp (200) uppträder vid 30,7o. a.u., godtyckliga enheter. (B) Azimuthal HRXRD Ф skanningar av Fe3Al{202} och MgO{202} planen. För Fe3Al/MgO-skanningen, fyra reflektioner med 45o intervaller observeras, vilket indikerar en fyrfaldig symmetri i planet och en relativ 45o rotationsepitaxiell tillväxt av Fe3Al-filmerna på MgO-substratet. (C) Högupplösta röntgenreflektometri-skanningar av Fe3Al /MgO-filmerna där en motsvarande passform (brun) ger en tjocklek på 20 nm för Fe3Al och en grovhet på 0,7 och 0,4 nm för MgO och Fe3Al, respektive. Infälld:HRXRD-gungningskurvan för Fe3Al (202)-toppen ger en full bredd vid halva max 0,49°. Kreditera: Vetenskapliga framsteg , doi:10.1126/sciadv.abc5053
Densitetsfunktionella beräkningar och karakterisering av kristallina strukturer
Under studien, Wei et al. använde åtta kroppscentrerade kubiska (bcc) enhetsceller med 16 järnatomer för att konstruera en supercell för att beräkna ren järndensitet av tillstånd (DOS). Fe 1−x Al x innehöll olika koncentrationer av x, där järn på olika platser ersattes av aluminiumatomer. Teamet fick flera representativa DOS för FeAl-legeringen och fann att de uppvisade ett minimum på Fermi-nivå vid aluminiumkoncentrationer på 25 %. Teamet ställer sedan in kammartrycket för den specialdesignade molekylstråleepitaxin för provtillväxt i en gynnsam hastighet för att tillverka hög kvalitet, enkristallin Fe 1−x Al x legeringsfilmer under icke-jämviktsförhållanden. RHEED-mönstren (reflection high-energy electron diffraction) visade att man uppnådde ett rent enkelorienteringsförhållande. Teamet bedömde beroendet av den fina kristallstrukturen hos Fe 1−x Al x filmer på koncentrationen av aluminium med HRXRD (högupplöst röntgendiffraktion). När aluminiumkoncentrationen ökade, de noterade bildandet av en fast lösning av aluminium i järn. Teamet bedömde sedan filmernas tjocklek och grovhet med hjälp av en röntgenreflektometriskanning.
RHEED-mönster av (a) (100)-orienterad MgO, elektronstrålen är längs in-planet-riktningen för [010] och (b) (100) -orienterad MgO, elektronstrålen är längs riktningen i planet av [011]. (c, d) RHEED-mönster av Fe1-xAlx-film odlad på den, respektive. Kreditera: Vetenskapliga framsteg , doi:10.1126/sciadv.abc5053
Vinkelberoendet av den remanenta magnetiseringen och ferromagnetisk resonans (FMR) och beroendet av magnetokristallin anisotropi på Al-innehåll. (A) 0° är startpunkten längs MgO[010]-riktningen i de uppmätta vinkel-remanenta kurvorna som visar andra minimum Mr som indikerar den hårda magnetiseringsriktningen som motsvarar Fe1−xAlx [011], och Mr når sitt maximala värde vid 45o motsvarande den lätta magnetiseringsriktningen längs Fe1−xAlx [010]. Den streckade linjen är en vägledning för att identifiera det första och andra minimum Mr. (B) Magnetiska hysteresöglor längs de enkla och hårda magnetiseringsaxlarna för Fe1 − xAlx som visar beroende av Al -koncentration. Mättnadsfältet längs den enkla magnetiseringsriktningen märkt med 45o förblir konstant och den hårda magnetiseringsriktningen märkt med 0o minskar när Al -koncentrationerna ökar, vilket indikerar att den magnetokristallina anisotropin av Fe1−xAlx blir svagare med ökande Al-innehåll. (C) Derivat FMR-absorptionsspektra för Fe3Al från 0o (motsvarande MgO[010]-riktningen) till 180o vid en mikrovågsfrekvens på 9,4 GHz. (D) Serier av resonansfält anpassade efter experimentella data för extraktion av H2∥ och H4∥. Kreditera: Vetenskapliga framsteg , doi:10.1126/sciadv.abc5053
Karakterisering av grundläggande magnetisering
För att förklara de enkla och hårda magnetiseringsriktningarna för järn-aluminiumfilmerna, Wei et al. uppmätta vinkel-restkurvor med hjälp av en vibrationsprovmagnetometer (VSM). Eftersom aluminiumkoncentrationen varierade från noll till 25%, mättnadsmagnetiseringen av provet ändrades. Under tiden, i hårdmagnetiseringsriktningen, när mättnadsfältet minskade med ökande aluminiumkoncentration, den magnetokristallina anisotropin blev svagare. För att bestämma värdet av materialets magnetiska anisotropi, teamet använde vinkelberoende ferromagnetiska resonansmätningar. Teamet mätte sedan dämpningsmomentet, känd som Gilbert-dämpning i installationen, där dess riktning gavs av vektorprodukten av magnetiseringen och dess tidsderivata. Till exempel, den resulterande Gilbert-dämpningsparametern (α) för Fe 75 Al 25 filmer var jämförbara med värden som beskrivits i tidigare studier.
Bestämning av Gilbert-dämpning. (A) Resonansfrekvensen skiftar högre när det yttre fältet ökar, och frekvensens breddberoende för frekvensen erhölls genom frekvenssvep för Fe75Al25-filmerna. (B och C) Motsvarande frekvensbreddsberoende av frekvensen för Fe75Al25- och Fe81Al19-filmerna. Gilberts dämpningsparametervärden anpassades med en ekvation som härleddes i studien och var α =1,5 × 10−3 och α =2,3 × 10−3, respektive. Kreditera: Vetenskapliga framsteg , doi:10.1126/sciadv.abc5053
På det här sättet, Yangping Wei och kollegor observerade ultralåg magnetisk dämpning på 1,5 x 10 -3 i traditionella FeAl -kristallina ferromagneter vid en aluminiumkoncentration på 25%. Arbetet erbjuder en ny möjlighet att välja lågkostnadsmaterial som inte är begränsat till 3D-övergångsmetalliska element för spintroniska och spin-orbitronic-applikationer. Teamet fick dessa nya resultat på grundval av principen om minsta densitet av stater som tidigare föreslagits. Resultaten verifierade vidare att magnetisk dämpning var proportionell mot densiteten av tillstånd på Fermi-nivån i samma legering. Arbetet möjliggör ett nytt tillvägagångssätt för skärmmaterial för spintroniska och spin-orbitronic-applikationer och utökar metoden till ett bredare utbud av lågdämpande material.
© 2021 Science X Network
