Магнитные материалы являются незаменимыми компонентами современных технологий, включая устройства хранения данных, электродвигатели и магнитные датчики. Особую ценность представляют ферромагнетики с высокой намагниченностью, необходимые для развития спинтроники нового поколения, чувствительных сенсоров и систем хранения данных высокой плотности. Сплавы железо-кобальт (Fe-Co) широко используются благодаря своим сильным магнитным свойствам, однако ограничения производительности традиционных сплавов Fe-Co требуют новых подходов к их модификации.
Исследовательская группа под руководством доцента Такахиро Ямазаки из Токийского университета науки (TUS) совершила прорыв в понимании механизмов усиления магнитных свойств в сплавах Fe-Co, легированных иридием (Ir). В состав команды вошли Такахиро Кавасаки (TUS), профессор Масато Коцуги (TUS), доктор Юма Ивасаки (NIMS), доктор Юя Сакураба (NIMS), доктор Наоми Кавамура (Исследовательский институт синхротронного излучения Японии) и профессор Такуо Охкочи (Университет Хёго). Результаты их работы были опубликованы в престижном журнале Physical Review Materials.
Предыдущие исследования показали, что эпитаксиально выращенные пленки сплавов Fe-Co, легированные более тяжелыми элементами, демонстрируют высокую намагниченность. Машинное обучение в сочетании с расчетами ab initio ускорило открытие новых материалов, и именно так был идентифицирован сплав Fe-Co-Ir, демонстрирующий большие магнитные моменты. Однако источник усиленных магнитных свойств в сплавах Fe-Co-Ir до недавнего времени оставался малоизученным.
В отличие от предыдущих исследований, использовавших поликристаллические пленки, команда Ямазаки применила композиционно-градиентные монокристаллические тонкие пленки. Исследователи использовали высокопроизводительный метод магнитного кругового дихроизма рентгеновских лучей (XMCD) на крупнейшей в мире установке синхротронного излучения SPring-8. Они изготовили пленки с линейно возрастающим содержанием Ir от 0% до 11 атомных процентов и использовали как мягкие рентгеновские лучи (для Fe и Co), так и жесткие рентгеновские лучи (для Ir). Для подтверждения экспериментальных результатов были проведены расчеты ab initio.
Ключевые результаты исследования показали значительное улучшение магнитных моментов благодаря легированию иридием: магнитный момент Fe увеличился в 1,44 раза, а магнитный момент Ir — в 1,54 раза при концентрации Ir 11 атомных процентов по сравнению с 1 атомным процентом. Важно отметить, что Fe и Co являются переходными металлами 3d, в то время как Ir — переходный металл 5d. Добавление Ir приводит к повышенной локализации электронов и более сильному спин-орбитальному взаимодействию между 3d-электронами (Fe/Co) и 5d-электронами (Ir), что в свою очередь усиливает магнитные моменты, в основном за счет вклада орбитальных магнитных моментов.
Эти открытия закладывают фундамент для проектирования высокоэффективных ферромагнитных материалов с широким спектром потенциальных применений. Среди них — высокоэффективные электродвигатели, устройства хранения данных высокой плотности нового поколения, технологии с уменьшенным воздействием на окружающую среду и экономически эффективные устройства хранения данных, способствующие созданию более устойчивого общества.
Понимание механизмов усиления магнитных свойств в сплавах Fe-Co-Ir открывает новые горизонты для разработки материалов с улучшенными характеристиками, что может привести к революционным изменениям в многочисленных технологических областях, от энергетики до информационных технологий.
Изображение носит иллюстративный характер
Исследовательская группа под руководством доцента Такахиро Ямазаки из Токийского университета науки (TUS) совершила прорыв в понимании механизмов усиления магнитных свойств в сплавах Fe-Co, легированных иридием (Ir). В состав команды вошли Такахиро Кавасаки (TUS), профессор Масато Коцуги (TUS), доктор Юма Ивасаки (NIMS), доктор Юя Сакураба (NIMS), доктор Наоми Кавамура (Исследовательский институт синхротронного излучения Японии) и профессор Такуо Охкочи (Университет Хёго). Результаты их работы были опубликованы в престижном журнале Physical Review Materials.
Предыдущие исследования показали, что эпитаксиально выращенные пленки сплавов Fe-Co, легированные более тяжелыми элементами, демонстрируют высокую намагниченность. Машинное обучение в сочетании с расчетами ab initio ускорило открытие новых материалов, и именно так был идентифицирован сплав Fe-Co-Ir, демонстрирующий большие магнитные моменты. Однако источник усиленных магнитных свойств в сплавах Fe-Co-Ir до недавнего времени оставался малоизученным.
В отличие от предыдущих исследований, использовавших поликристаллические пленки, команда Ямазаки применила композиционно-градиентные монокристаллические тонкие пленки. Исследователи использовали высокопроизводительный метод магнитного кругового дихроизма рентгеновских лучей (XMCD) на крупнейшей в мире установке синхротронного излучения SPring-8. Они изготовили пленки с линейно возрастающим содержанием Ir от 0% до 11 атомных процентов и использовали как мягкие рентгеновские лучи (для Fe и Co), так и жесткие рентгеновские лучи (для Ir). Для подтверждения экспериментальных результатов были проведены расчеты ab initio.
Ключевые результаты исследования показали значительное улучшение магнитных моментов благодаря легированию иридием: магнитный момент Fe увеличился в 1,44 раза, а магнитный момент Ir — в 1,54 раза при концентрации Ir 11 атомных процентов по сравнению с 1 атомным процентом. Важно отметить, что Fe и Co являются переходными металлами 3d, в то время как Ir — переходный металл 5d. Добавление Ir приводит к повышенной локализации электронов и более сильному спин-орбитальному взаимодействию между 3d-электронами (Fe/Co) и 5d-электронами (Ir), что в свою очередь усиливает магнитные моменты, в основном за счет вклада орбитальных магнитных моментов.
Эти открытия закладывают фундамент для проектирования высокоэффективных ферромагнитных материалов с широким спектром потенциальных применений. Среди них — высокоэффективные электродвигатели, устройства хранения данных высокой плотности нового поколения, технологии с уменьшенным воздействием на окружающую среду и экономически эффективные устройства хранения данных, способствующие созданию более устойчивого общества.
Понимание механизмов усиления магнитных свойств в сплавах Fe-Co-Ir открывает новые горизонты для разработки материалов с улучшенными характеристиками, что может привести к революционным изменениям в многочисленных технологических областях, от энергетики до информационных технологий.
