Udvekslingsbias i en enkeltlagsfilm skabes ved hjælp af ionimplantation

En ny metode til at skabe og kontrollere udvekslingsbias i en antiferromagnetisk enkeltlagsfilm er blevet udviklet af forskere i USA og Schweiz. Metoden involverer lavenergi-ionimplantation i filmen, og den har potentialet til at fremme udviklingen af ​​antiferromagnetiske spintronics-enheder.

Udvekslingsbias refererer til et skift i positionen af ​​hysteresesløjfen af ​​en ferromagnet langs den vandrette akse (påført magnetfelt). Dette kan forekomme, når et antiferromagnetlag og et ferromagnetlag bringes tæt sammen og fastholder magnetiseringen af ​​et ferromagnetisk lag. Udvekslingsbias-materialer spiller en vigtig rolle i spintroniske teknologier, såsom læsehovedsensorerne i harddiske; spin ventiler; og de magnetiske tunnelforbindelser, der bruges i digitale hukommelser.

Generering af et stærkt udvekslingsforspændingsfelt mellem en ferromagnet og en antiferromagnet kræver en god kvalitetsgrænseflade mellem de to materialer. Det kan dog være udfordrende at opnå dette i tynde film. For at opnå udvekslingsbias skal systemet desuden opvarmes over antiferromagnetens Neel-temperatur og derefter afkøles i nærvær af et magnetfelt. Denne termiske behandling kan forårsage diffusion mellem de to lag, hvilket reducerer udvekslingsbias betydeligt. For at forhindre dette er diffusionsbarrierer generelt inkorporeret i stabelstrukturen. Dette øger imidlertid kompleksiteten og tykkelsen af ​​enheden, hvilket gør den uegnet til miniaturisering af spintroniske enheder.

Materiale til fremtiden

Nu Cory Cress  , Steven Bennett ved US Naval Research Laboratory, og forskere der og ved Paul Scherrer Instituttete og Oak Ridge National Laboratory har brugt lavenergi-ionimplantation til at skabe en mærkbar udvekslingsbias i det antiferromagnetiske materiale jern-rhodium (FeRh). Og de har gjort dette uden behov for et ferromagnetisk lag.

Ionimplantation er en almindelig teknik inden for materialevidenskab og teknik og bruges til at ændre et materiales egenskaber ved at indføre ioner i dets overflade eller bulk. Processen involverer at skabe en stråle af ioner, der derefter rettes mod et målmateriale.

I deres eksperimenter deponerede holdet først en enkeltkrystal FeRh-film på et magnesiumoxidsubstrat (se figur nedenfor). Prøven blev derefter opvarmet til 730 °C og afkølet i en proces kaldet annealing. Dette satte FeRh-filmen ind i en ansigtscentreret kubisk krystalstruktur. Denne fase udviser en højhastigheds metamagnetisk overgang fra en antiferromagnetisk til en ferromagnetisk tilstand, når temperaturen overstiger omkring 400 K. Derudover har FeRh-filmen et omskifteligt magnetisk moment, der hurtigt kan vende retningen, hvilket gør den lovende til forskellige spintroniske applikationer.

Tager et signal fra deres tidligere undersøgelse for at indstille en metamagnetisk overgangstemperatur i FeRh gennem ionimplantation, implanterede holdet lavenergi-helium- eller jernioner i FeRh-film ved stuetemperatur. Dette skabte ferromagnetiske overfladelag, der stødte op til antiferromagnetlaget. Dette skabte en relativt stor udvekslingsbiaseffekt på 41 Oe for den jernimplanterede film og 36 Oe for den heliumimplanterede film.

Ifølge forskerne er disse resultater lovende, fordi de udvekslingsbias-effekter, der tidligere er observeret i FeRh, typisk har været meget lave eller kun set under stuetemperatur. Som et resultat mener holdet, at skabelse af udvekslingsbias ved implantation i FeRh kan føre til udviklingen af ​​avancerede antiferromagnetiske enheder.

Oprindelsen af ​​udvekslingsbias har forblevet et langvarigt puslespil siden dets opdagelse, på trods af udviklingen af ​​forskellige modeller, der forsøger at forklare det. I denne undersøgelse sigtede Cress, Bennett og kolleger på at kaste yderligere lys over oprindelsen af ​​dette fænomen ved at udsætte ionimplanterede FeRh-film for en times annealing enten ved 400 ^°C eller 700 ^°C. Efter annealingsprocessen bemærkede holdet et væsentligt fald i udvekslingsbiasfeltet for begge implanterede film. Dette blev tilskrevet helingen af ​​defekter dannet under implantation og genopretning af filmens antiferromagnetiske tilstand nær overfladen.

Fejl er ansvarlige

Ved at bruge annealing for at genvinde de uberørte egenskaber af den heliumimplanterede film, fandt forskerne overbevisende beviser for, at enhver udvekslingsbias, der er til stede i filmen, skyldes defekterne forårsaget af ionimplantationen og ikke på grund af ændringer i FeRh-sammensætningen pga. tilsætning af jernioner. Desuden brugte holdet en domænetilstandsmodel til at forklare disse resultater og foreslår, at ikke-magnetiske defekter i det antiferromagnetiske lag spiller en afgørende rolle i dannelsen og stabiliseringen af ​​udvekslingsbiasfeltet.

For at få yderligere indsigt i udvekslingsbias af FeRh-film brugte holdet polariseret neutronreflektometri. Denne teknik måler magnetisering som en funktion af dybden ved at rette polariserede neutroner på overfladen af ​​filmen og måle intensiteten af ​​de reflekterede neutroner.

Ved hjælp af denne teknik observerede forskerne de fastgjorte ukompenserede magnetiske momenter i filmens antiferromagnetiske område. De fandt ud af, at disse ukompenserede øjeblikke skyldes defekter, såsom ledige stillinger skabt af ionimplantation. Når de kobles med et tilstødende ferromagnetisk lag, resulterer de ledige stillinger i udvekslingsbias-fænomenet. Ifølge forskerne giver disse resultater et overbevisende bevis for domænetilstandsmodellen for udvekslingsbias.

Holdets resultater er rapporteret i Journal of Materials Chemistry C potentielt kan føre til anvendelsen af ​​domænetilstandsmodellen i forskellige magnetiske spin-systemer.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Viden forstærket. Adgang her.
• Udmøntning af fremtiden med Adryenn Ashley. Adgang her.
• Køb og sælg aktier i PRE-IPO-virksomheder med PREIPO®. Adgang her.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/exchange-bias-in-a-single-layer-film-is-created-using-ion-implantation/