研究者らは、ウェハレベルの室温で二次元強磁性材料を作製することに成功した。

2022-01-10 13:38

中山大学材料科学工学学院の呉樹祥准教授率いる研究チームは、中国科学院物理研究所、香港科技大学、シンガポール国立大学、杭州師範大学と共同で、ウェハスケールの室温二次元強磁性材料の研究において重要な進展を達成しました。この研究成果は最近、Nature Communications誌に掲載されました。

二次元強磁性体の厚み極限における長距離磁気秩序の探究は、基礎物理学研究の進展や、低エネルギー消費で磁化を操作する新しい磁気デバイスおよびスピントロニクスデバイスの開発にとって極めて重要である。三次元系では、磁性は主に交換相互作用によって影響を受け、有限温度で磁気相転移が生じる。二次元ハイゼンベルク模型では、メルミン・ワグナー定理の限界により、熱揺らぎが二次元強磁性長距離磁気秩序の形成を阻害する。しかし、強い結晶磁気異方性はスピン波励起エネルギーギャップを開き、熱揺らぎを効果的に抑制し、有限温度における二次元強磁性の発現を促進する。バルク結晶で観測される室温での長距離強磁性秩序が、数ユニットセル（uc）あるいは1 ucの薄膜でも維持できるかどうかは未解決の問題である。なぜなら、高温での熱揺らぎは二次元強磁性秩序を容易に破壊するからである。強磁性材料の厚さの限界における長距離強磁性秩序の維持は、磁気交換結合と関連しており、磁気異方性の強さとも密接に関連しています。

これまで報告されている二次元強磁性体は、軟磁性と低い磁気異方性を示す。さらに、これらの二次元強磁性体はすべてバルク単結晶から剥離した薄いシートであるため、厚さとサイズの制御が困難であり、スピンエレクトロニクスにおける詳細な研究と実用化を妨げている。そのため、固有強磁性、室温を超えるキュリー温度、強い磁気異方性、そして従来のマイクロエレクトロニクスデバイスとの互換性を備えたウェハレベルの二次元強磁性体材料の探索は、特に急務となっている。

この目的のため、広東省自然科学基金などのプロジェクトの資金提供を受けた呉樹祥教授の研究チームは、分子線エピタキシー法を用いて、単細胞層数を制御可能なウェハレベルの2次元強磁性Fe3GaTe2膜を作製することに成功した。エピタキシャル成長したFe3GaTe2膜は、垂直磁気異方性を持つ強い強磁性を示す。9ucエピタキシャル膜のキュリー温度は420Kと高く、300Kにおける垂直磁気異方性は、現在広く研究されているCoFeB膜のキュリー温度より数倍高い。エピタキシャル膜の厚さを極限まで薄くしても、1uc膜の強磁性秩序は維持され、強い垂直磁気異方性により、キュリー温度は345Kに達する。機械的に剥離したFe3GaTe2薄片と比較して、同じ厚さのエピタキシャル膜のキュリー温度は60Kを超えており、これは基板による引張歪み効果に起因すると考えられる。第一原理計算により、エピタキシャルFe3GaTe2膜における強磁性の増強は、応力によって増強された磁気交換結合だけでなく、応力によって増強された磁気異方性にも関連していることが明らかになった。この強い磁気異方性は、熱揺らぎを抑制し、長距離強磁性秩序の破壊を回避することで、強磁性を安定化させることができる。

ウエハレベルの室温二次元強磁性材料の作成に成功したことは、磁性材料科学などの分野における重要な進歩であり、二次元磁石に基づくスピンエレクトロニクスデバイスの開発のための強固な材料基盤を築くものです。

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