客观日本

脉冲激光沉积法成功制成四重钙钛矿薄膜,有助开发新型电磁材料

2019年12月11日 化学材料

日本东京工业大学科学技术创成研究院前沿材料研究所的重松圭助教、清水启佑博士研究员、Hena Das特任副教授和东正树教授等人组成的研究团队,与神奈川县立产业技术综合研究所(KISTEC)合作,利用锰、铜、铈、氧成功合成了高品质的超高压相氧化物(CeCu3Mn4O12)薄膜。

研究团队通过基于实验的合成和基于第一性原理计算的预测,调查了应变对CeCu3Mn4O12薄膜晶格的影响,发现通过在面内施加压缩应变,可以形成垂直磁化膜。垂直磁化膜是高记录密度磁存储器和自旋电子器件等的重要特性,今后有望利用该薄膜开发新的电磁功能材料。

相关研究论文已于10月22日发表在美国化学学会的期刊《Applied Electronic Materials》的网络版上。

研究背景

AA’3B4O12型四重钙钛矿氧化物(图1)近来接连被发现拥有巨大的顺电性、电荷转移特性、负热膨胀特性、催化功能及半金属特性等。四重钙钛矿氧化物具有非常致密的结构,因此非常适合采用高压合成法来合成,相关研究在近几年取得了快速进展。不过,高压合成法成本比较高,而且一次合成能获得的量有限,因此要想使上述功能投入实用,需要利用更简单的合成方法获得高品质材料。

脉冲激光沉积法成功制成四重钙钛矿薄膜,有助开发新型电磁材料

图1:AA’3B4O12型四重钙钛矿的晶体结构

研究团队利用脉冲激光沉积法,把室温亚铁磁材料——由锰、铜、铈、氧构成的四重钙钛矿型氧化物(CeCu3Mn4O12)制成了薄膜状。通过优化基板的种类和晶体生长温度等参数,在钙钛矿氧化物YAlO3(铝酸钇)基板上获得了高品质薄膜。

另外,研究小组调查该薄膜的磁各向异性发现,在薄膜面内拉伸最大的方向产生了很强的单轴磁各向异性。研究团队利用第一性原理计算再现了与受到应变的薄膜相同的CeCu3Mn4O12晶体,并计算了其磁各向异性能量,发现易磁化轴朝向晶格延伸的方向时,在能量方面比较有利,获得了与实验一致的结果。根据这些结果可以预测,如果向CeCu3Mn4O12薄膜施加压缩应变,晶体方向主要被拉向与薄膜垂直的方向,会形成垂直磁化膜。

要想实现受到压缩应变的CeCu3Mn4O12薄膜,需要使用晶格比CeCu3Mn4O12小的物质作为基底,但目前还没有合适的基板。因此,研究团队通过在薄膜与基板之间插入面内晶格常数更小、结构与钙钛矿类似的YCaAlO4(铝酸钇钙)作为缓冲层,成功将施加给薄膜的应变由拉伸变成了压缩。利用该薄膜调查磁特性发现,面内方向的单轴磁各向异性消失,同时面垂直方向的磁各向异性增强,实现了垂直磁化膜。

脉冲激光沉积法成功制成四重钙钛矿薄膜,有助开发新型电磁材料

图2:四重钙钛矿氧化物AA’3B4O12的晶体结构

利用不同基底控制晶格应变的CeCu3Mn4O12薄膜的示意图(左)和磁化测量(右)。磁化测量是沿着图中定义的a、b、c轴分别施加外部磁场的结果。曲线在纵轴方向最接近长方形的就是易磁化轴。YAlO3基板上的CeCu3Mn4O12薄膜本来是拉伸强度最大的面内a轴方向为易磁化轴,但通过插入YCaAlO4层,c轴变成易磁化轴。

论文信息
论文题目:Strain Manipulation of Magnetic Anisotropy in Room-Temperature Ferrimagnetic Quadruple Perovskite CeCu3Mn4O12
发表期刊:《Applied Electronic Materials》
DOI:10.1021/acsaelm.9b00547 outer

日文新闻发布全文

文:JST客观日本编辑部翻译整理

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