用電力來為材料充磁——左右坡莫合金的氧化鑷
來探索一下氧化鑷如何左右坡莫合金的「性格」吧！坡莫合金是一種鐵磁性材料，對外加磁場非常敏感。你可能知道，這種材料在磁場下會產生磁滯曲線，也就是磁性效應不會立即消失，這種特性使得坡莫合金在記憶元件中有很好的應用潛力。但是，當我們將氧化鑷與鐵鑷合金堆疊在一起時，事情變得更有趣了！這種堆疊會導致磁滯曲線產生偏移，也就是磁滯現象更難被消除，這意味著記憶體可以更長時間地保持信息，同時減少外部磁力對其的影響。還有一個有趣的概念——電力充磁，當我們為氧化金屬充電時，材料內的氧空缺會捕捉單一電子，使得材料帶有磁性，這樣的現象提供了一種新的方式來調整材料的磁性。
撰文｜黃鼎鈞
在二月份的文章《磁鐵有性格？認識「磁滯曲線」》中介紹了「高敏感心地柔軟」的坡莫合金，它是一種由鐵與鎳組成的合金 (NiFe)，對於磁場的反應靈敏，但卻具有非常小的矯頑力。這一次我們要介紹一個能左右坡莫合金性格的物質——「氧化鑷」 (Nio)，而且不僅如此，它的存在還能使我們透過電力來產生磁力，而不需要透過施加磁場來使物質產生磁性，這樣的設計若恰當，未來在電子記憶體中，便能單通過既有的導電設備，產生由以電荷和磁性兩種維度構成的記憶體，藉此來擴增記憶單元。
氧化鑷如何左右坡莫合金的性格？
坡莫合金屬屬於鐵磁性材料，這類材料在外加磁場的作用下，會呈現出磁滯曲線，如圖2-1藍線所示。當外加磁場增加時，材料的磁矩也隨之增大。即使移除磁場，材料仍會保持一定的磁矩，這稱為磁滯現象，並且正是因為這種特性，磁性物質才能被應用於記憶元件中。要消除磁滯現象，需要施加反向磁場達到一定程度，才能完全消除，這稱為矯頑力。圖2-1的紅線則是反鐵磁性材料隨著外加磁場的變化，由於其電子自旋一上一下的排列，見圖2-3，故磁矩相互抵銷，外顯上幾乎觀察不到磁矩。
有趣的是，當我們將氧化鑷與鐵鑷合金堆疊時，磁滯曲線將會發生偏移，如圖2-2所示。這樣一來，磁滯現象變得更難被消除，進而增加了記憶體的儲存時間，降低了外部磁力環境的影響。這種現象經常出現在鐵磁性與反鐵磁性的交界面，透過圖2-3我們可以瞭解反鐵磁性與鐵磁性的不同。當施加的磁場增大時，反鐵磁性物質的電子自旋會相反排列。
氧化鑷除了具有反鐵磁性之外，它的奈爾溫度 (Neel temperature) 高達523 K，也就是說，溫度在523 K以下氧化鑷都會保持反鐵磁的特性，因此在一般的溫度環境下，它仍能保持其反鐵磁特性。此外，氧化鑷還是一種優良的絕緣體，可在記憶元件的單元中隔離各個元素之間的導電，無需額外沉積絕緣材料，從而簡化了整個製程中的一個步驟。
電力除了充電，也能充磁
在製備氧化金屬物時，原子會通過相互鍵結形成結晶薄膜，然而在這個形成過程中，常常會出現氧空缺的現象，也就是氧原子缺席了原本應有的位置。雖然完美無缺的材料是每個科學家追求的目標，但在材料科學中，缺陷卻扮演著一個重要的角色。不同製程中所調控的缺陷數量能夠帶出不同的材料特性。
由於氧原子的缺失，形成的空缺帶有正電，這個空缺成為捕捉電子的陷阱，而且每個氧空缺僅能捕捉一個電子。由於電子具有自旋特性，而自旋又可分為上自旋和下自旋，當上自旋和下自旋的數量不平衡時，材料便會呈現鐵磁性。因此，當氧空缺捕捉了一個電子後，材料中便出現了一個朝特定方向自旋的電子存在。
根據磁性材料中的海森堡直接交換作用機制，這些帶有電子的缺陷會在鄰近原子的作用下與鄰近磁矩平行排列，這樣的排列就會使得整個材料具有鐵磁性。因此，當我們施加電壓到具有氧空缺缺陷的氧化金屬物上時，會使材料捕捉更多的電子，使其具有磁性，而後即使移除了電壓，磁性仍然存在，這種現象可被描述成用電力為材料「充磁」。
正如前面所提到的，氧化鑷與坡莫合金的結合涉及鐵磁性和反鐵磁性的交互作用，導致矯頑力增加。然而，通過電力充磁後，氧化鑷的反鐵磁性下降，也就是說，某一自旋方向的比例變大了，從而降低了鐵磁性與反鐵磁性的交互作用，進而降低了矯頑力。透過電力來調整物質磁性，使我們有機會在目前電子設備的運作框架下，增添一個記憶維度來使用。
坡莫金屬對磁場高度敏感，是科學家在製作磁性元件的首選材料之一；加上氧化鑷的影響能使其磁滯變大、矯頑力變大，不同厚度的氧化鑷還能夠調整出不同的矯頑力；而且可以透過電力來為氧化鑷充磁，進一步調整氧化鑷對坡莫合金的影響。這一些材料特性的發現，都幫助科學家能夠更掌握對於電子自旋的應用，加速磁性記憶體的更新。
參考文獻
- J. Ni & Y. Zhang & J. Li & Y. Ren & J. Zhou & B. Dai, 2023, “Electric control of NiFe/NiO exchange bias through resistive switching under zero magnetic field.”, Journal of Materials Science: Materials in Electronics 34(6).
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📖 延伸閱讀：《磁鐵有性格？認識「磁滯曲線」》、《電磁對偶 (S-Duality) 與歐姆定律（上）》、《電磁對偶 (S-Duality) 與歐姆定律（下）》