用電力來為材料充磁——左右坡莫合金的氧化鑷

分享至

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。

圖1:自旋是電子其中之一的特性,有別於電荷充放電的方式,可運用來作為記憶體|來源:Wikimedia Commons

 

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。

圖2:圖2-1是材料中磁矩與外加磁場的關係,藍色和紅色曲線分別是鐵磁性材料與反鐵磁性材料;圖2-2呈現當鐵磁性材料及反鐵磁性材料接觸時,造成磁滯曲線偏移的情況;圖2-3是鐵磁性材料與反鐵磁性材料中電子自旋分別排列的方式|來源:作者提供

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。

圖3:左圖為尚未充電前,氧化鑷及坡莫合金電子自旋排列示意圖,藍色為氧化鑷呈現反鐵磁性,綠色為坡莫合金為鐵磁性,故電子自旋方向皆同向;右圖為充電後,氧化鑷的氧空缺捕捉了電子,電子單一方向的自旋及對周圍自旋方向的影響弱化了其反鐵磁的特性|來源:作者提供

 

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

  1. 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).
  2. G. H. Yu & C. L. Chai & F. W. Zhu & J. M. Xiao & W. Y. Lai, 2001, “Interface reaction of NiO/NiFe and its influence on magnetic properties.”, Applied Physics Letters 78(12), 1706–1708.
  3. D. Han & J. Zhu & J. H. Judy, 1997, “NiFe/NiO bilayers with high exchange coupling and low coercive fields.”, Journal of Applied Physics 81(8) 4996–4998.

 


📖 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)

(Visited 173 times, 1 visits today)

分享至
views