Область спинтроники, использующая спин и заряд электрона для создания более функциональных и энергоэффективных устройств, таких как считывающие головки жестких дисков и магниторезистивная память (MRAM), расширяется в сторону гибких приложений. Для носимых устройств и листовых сенсоров требуются материалы, способные преобразовывать небольшие механические напряжения в изменения электрического сопротивления. Это ставит задачу поиска материалов, обладающих одновременно значительными магниторезистивными эффектами и управляемыми магнитоупругими свойствами.
Исследовательская группа систематически изучила магнитоупругие свойства нитрида железа и его модификаций. В качестве объектов исследования были выбраны соединения Fe4N, а также варианты с замещением железа марганцем (Fe4-xMnxN) и кобальтом (Fe4-yCoyN). Преимуществом этих материалов является их состав из широко распространенных элементов. Результаты исследования опубликованы в журнале Communications Materials.
Для изучения были изготовлены высококачественные монокристаллические пленки нитридов на подложках из титаната стронция (SrTiO3) (001). Измерения магнитной деформации проводились в кристаллографическом направлении [100]. Было установлено, что чистый нитрид железа Fe4N демонстрирует отрицательную магнитострикцию величиной -121 ppm (частей на миллион). Этот показатель по порядку величины сопоставим с магнитострикцией сплавов железо-галлий (Fe-Ga).
Ключевым открытием стала возможность настройки магнитоупругих свойств путем изменения состава. Варьируя содержание кобальта в структуре Fe4-yCoyN, исследователи добились изменения знака магнитострикции. В частности, соединение Fe2.3Co1.7N показало положительную магнитострикцию +46 ppm. Это доказывает, что легирование кобальтом позволяет эффективно модулировать магнитоупругие характеристики материала.
Для понимания механизма этой управляемости был проведен анализ взаимосвязи магнитоупругих свойств с другими магнитными характеристиками, такими как намагниченность насыщения, магнитная анизотропия и магнитное затухание. Была выявлена сильная корреляция между величиной магнитного затухания и магнитоупругим поведением материала. Эти экспериментальные наблюдения подтверждаются результатами первопринципных расчетов.
Установлено, что плотность электронных состояний (DOS) d-электронов на уровне Ферми играет определяющую роль как в магнитном затухании, так и в магнитоупругих свойствах исследуемых нитридов. Это понимание фундаментальных связей открывает путь для дальнейшей целенаправленной оптимизации магнитоупругих характеристик материалов путем подбора состава.
Кейта Ито, доцент Института исследования материалов (IMR) Университета Тохоку, подчеркивает важность полученных результатов. Он отмечает, что демонстрация сочетания спинтронных и магнитоупругих свойств в нитридах железа предлагает новый взгляд на выбор материалов для гибкой спинтроники.
По мнению Ито, понимание взаимосвязи различных магнитных характеристик, включая магнитоупругость и магнитное затухание, может в будущем позволить разрабатывать высокочувствительные датчики деформации на основе этих материалов.
Следующим этапом работы станет изготовление магниторезистивных устройств с использованием пленок ферромагнитных нитридов, нанесенных на гибкие подложки. Цель – проверить эффективность этих материалов для высокочувствительного детектирования механических напряжений в реальных условиях эксплуатации.
Существенным преимуществом нитридов железа является их состав из элементов, оказывающих минимальное воздействие на окружающую среду и не относящихся к дефицитным ресурсам. Это открывает перспективы для разработки недорогих и крупномасштабных технологий гибких датчиков для различных применений.
Изображение носит иллюстративный характер
Исследовательская группа систематически изучила магнитоупругие свойства нитрида железа и его модификаций. В качестве объектов исследования были выбраны соединения Fe4N, а также варианты с замещением железа марганцем (Fe4-xMnxN) и кобальтом (Fe4-yCoyN). Преимуществом этих материалов является их состав из широко распространенных элементов. Результаты исследования опубликованы в журнале Communications Materials.
Для изучения были изготовлены высококачественные монокристаллические пленки нитридов на подложках из титаната стронция (SrTiO3) (001). Измерения магнитной деформации проводились в кристаллографическом направлении [100]. Было установлено, что чистый нитрид железа Fe4N демонстрирует отрицательную магнитострикцию величиной -121 ppm (частей на миллион). Этот показатель по порядку величины сопоставим с магнитострикцией сплавов железо-галлий (Fe-Ga).
Ключевым открытием стала возможность настройки магнитоупругих свойств путем изменения состава. Варьируя содержание кобальта в структуре Fe4-yCoyN, исследователи добились изменения знака магнитострикции. В частности, соединение Fe2.3Co1.7N показало положительную магнитострикцию +46 ppm. Это доказывает, что легирование кобальтом позволяет эффективно модулировать магнитоупругие характеристики материала.
Для понимания механизма этой управляемости был проведен анализ взаимосвязи магнитоупругих свойств с другими магнитными характеристиками, такими как намагниченность насыщения, магнитная анизотропия и магнитное затухание. Была выявлена сильная корреляция между величиной магнитного затухания и магнитоупругим поведением материала. Эти экспериментальные наблюдения подтверждаются результатами первопринципных расчетов.
Установлено, что плотность электронных состояний (DOS) d-электронов на уровне Ферми играет определяющую роль как в магнитном затухании, так и в магнитоупругих свойствах исследуемых нитридов. Это понимание фундаментальных связей открывает путь для дальнейшей целенаправленной оптимизации магнитоупругих характеристик материалов путем подбора состава.
Кейта Ито, доцент Института исследования материалов (IMR) Университета Тохоку, подчеркивает важность полученных результатов. Он отмечает, что демонстрация сочетания спинтронных и магнитоупругих свойств в нитридах железа предлагает новый взгляд на выбор материалов для гибкой спинтроники.
По мнению Ито, понимание взаимосвязи различных магнитных характеристик, включая магнитоупругость и магнитное затухание, может в будущем позволить разрабатывать высокочувствительные датчики деформации на основе этих материалов.
Следующим этапом работы станет изготовление магниторезистивных устройств с использованием пленок ферромагнитных нитридов, нанесенных на гибкие подложки. Цель – проверить эффективность этих материалов для высокочувствительного детектирования механических напряжений в реальных условиях эксплуатации.
Существенным преимуществом нитридов железа является их состав из элементов, оказывающих минимальное воздействие на окружающую среду и не относящихся к дефицитным ресурсам. Это открывает перспективы для разработки недорогих и крупномасштабных технологий гибких датчиков для различных применений.
