Bias pertukaran dalam film satu lapis dibuat menggunakan implantasi ion

Metode baru untuk membuat dan mengendalikan bias pertukaran dalam film lapisan tunggal antiferomagnetik telah dikembangkan oleh para peneliti di AS dan Swiss. Metode ini melibatkan implantasi ion berenergi rendah ke dalam film, dan memiliki potensi untuk memajukan pengembangan perangkat spintronika antiferomagnetik.

Bias pertukaran mengacu pada pergeseran posisi loop histeresis feromagnet sepanjang sumbu horizontal (medan magnet terapan). Ini dapat terjadi ketika lapisan antiferromagnet dan lapisan feromagnet didekatkan, menyematkan magnetisasi lapisan feromagnetik. Bahan bias pertukaran memainkan peran penting dalam teknologi spintronic seperti sensor kepala baca di hard disk drive; katup putar; dan persimpangan terowongan magnetik yang digunakan dalam memori digital.

Menghasilkan bidang bias pertukaran yang kuat antara feromagnet dan antiferromagnet membutuhkan antarmuka berkualitas baik antara kedua bahan tersebut. Namun, mencapai ini dalam film tipis bisa jadi menantang. Selain itu, untuk mendapatkan bias pertukaran, sistem harus dipanaskan di atas suhu Neel antiferromagnet dan kemudian didinginkan dengan adanya medan magnet. Perlakuan termal ini dapat menyebabkan difusi antara dua lapisan, yang secara signifikan mengurangi bias pertukaran. Untuk mencegah hal ini, penghalang difusi umumnya dimasukkan ke dalam struktur tumpukan. Namun, hal ini meningkatkan kerumitan dan ketebalan perangkat, membuatnya tidak sesuai untuk miniaturisasi perangkat spintronik.

Bahan untuk masa depan

Sekarang, Cory Cress  dan Steven Bennett di Laboratorium Penelitian Angkatan Laut AS, dan peneliti di sana dan di Institut Paul Scherrere dan Laboratorium Nasional Oak Ridge telah menggunakan implantasi ion energi rendah untuk membuat bias pertukaran yang cukup besar dalam bahan antiferromagnetik besi-rhodium (FeRh). Dan, mereka telah melakukan ini tanpa membutuhkan lapisan feromagnetik.

Implantasi ion adalah teknik umum dalam ilmu dan teknik material dan digunakan untuk mengubah sifat material dengan memasukkan ion ke permukaan atau curahnya. Prosesnya melibatkan pembuatan seberkas ion yang kemudian diarahkan ke bahan target.

Dalam percobaan mereka, tim pertama kali mendepositkan film FeRh kristal tunggal ke substrat magnesium oksida (lihat gambar di bawah). Sampel kemudian dipanaskan hingga 730 °C dan didinginkan dalam proses yang disebut annealing. Ini menempatkan film FeRh ke dalam struktur kristal tipe kubik berpusat pada wajah. Fase ini menunjukkan transisi meta-magnetik berkecepatan tinggi dari antiferomagnetik ke keadaan feromagnetik ketika suhu melebihi sekitar 400 K. Selain itu, film FeRh memiliki momen magnetik yang dapat dialihkan yang dapat dengan cepat membalik arah, membuatnya menjanjikan untuk berbagai aplikasi spintronik.

Mengambil isyarat dari mereka penelitian sebelumnya menyetel suhu transisi meta-magnetik dalam FeRh melalui implantasi ion, tim menanamkan helium atau ion besi berenergi rendah ke dalam film FeRh pada suhu kamar. Ini menciptakan lapisan permukaan feromagnetik yang berdekatan dengan lapisan antiferromagnet. Ini menciptakan efek bias pertukaran yang relatif besar sebesar 41 Oe untuk film yang ditanamkan besi dan 36 Oe untuk film yang ditanamkan helium.

Menurut para peneliti, temuan ini menjanjikan karena efek bias pertukaran yang sebelumnya diamati pada FeRh biasanya sangat rendah atau hanya terlihat di bawah suhu kamar. Akibatnya, tim percaya menciptakan bias pertukaran dengan implantasi di FeRh dapat mengarah pada pengembangan perangkat antiferromagnetik canggih.

Asal usul bias pertukaran tetap menjadi teka-teki lama sejak penemuannya, terlepas dari pengembangan berbagai model yang mencoba menjelaskannya. Dalam penelitian ini, Cress, Bennett, dan rekannya bertujuan untuk menjelaskan lebih jauh tentang asal usul fenomena ini dengan menjadikan film FeRh yang ditanamkan ion selama satu jam anil pada suhu 400 ^°C atau 700 ^°C. Setelah proses anil, tim mencatat penurunan substansial dalam bidang bias pertukaran dari kedua film yang ditanamkan. Ini dikaitkan dengan penyembuhan cacat yang terbentuk selama implantasi dan pemulihan keadaan antiferromagnetik film di dekat permukaan.

Cacat bertanggung jawab

Dengan menggunakan anil untuk mendapatkan kembali sifat murni dari film yang ditanamkan helium, para peneliti menemukan bukti kuat bahwa setiap bias pertukaran yang ada dalam film disebabkan oleh cacat yang disebabkan oleh implantasi ion dan bukan karena perubahan komposisi FeRh karena penambahan ion besi. Selanjutnya, tim menggunakan model status domain untuk menjelaskan hasil ini, mengusulkan bahwa cacat non-magnetik dalam lapisan antiferomagnetik memainkan peran penting dalam membentuk dan menstabilkan bidang bias pertukaran.

Untuk mendapatkan wawasan lebih lanjut tentang bias pertukaran film FeRh, tim menggunakan reflektometri neutron terpolarisasi. Teknik ini mengukur magnetisasi sebagai fungsi kedalaman dengan mengarahkan neutron terpolarisasi ke permukaan film dan mengukur intensitas neutron yang dipantulkan.

Dengan menggunakan teknik ini, para peneliti mengamati momen magnet tanpa kompensasi yang disematkan di dalam wilayah antiferromagnetik film. Mereka menemukan bahwa momen yang tidak terkompensasi ini dihasilkan dari cacat, seperti kekosongan yang diciptakan oleh implantasi ion. Ketika digabungkan dengan lapisan feromagnetik yang berdekatan, kekosongan menghasilkan fenomena bias pertukaran. Menurut para peneliti, temuan ini memberikan bukti yang meyakinkan untuk model bias pertukaran negara domain.

Temuan tim dilaporkan dalam Jurnal Kimia Material C berpotensi mengarah pada penerapan model status domain dalam beragam sistem putaran magnetik.

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• PlatoAiStream. Kecerdasan Data Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• Mencetak Masa Depan bersama Adryenn Ashley. Akses Di Sini.
• Beli dan Jual Saham di Perusahaan PRE-IPO dengan PREIPO®. Akses Di Sini.
• Sumber: https://physicsworld.com/a/exchange-bias-in-a-single-layer-film-is-created-using-ion-implantation/