研究人員發(fā)現(xiàn)具有巨大磁阻的材料

東北大學(xué)的一組研究人員推出了一種具有巨大磁阻的新材料，為非易失性磁阻存儲(chǔ)器 (MRAM) 的發(fā)展鋪平了道路。

他們獨(dú)特發(fā)現(xiàn)的詳細(xì)信息發(fā)表在2023 年 5 月 29 日的《合金與化合物雜志》上。

如今，對(duì)能夠有效處理大量數(shù)字信息的硬件和傳感器的進(jìn)步需求從未如此強(qiáng)烈，尤其是在政府部署技術(shù)創(chuàng)新以實(shí)現(xiàn)更智能的社會(huì)的情況下。

這些硬件和傳感器中的大部分都依賴(lài)于 MRAM 和磁傳感器，而隧道磁阻器件構(gòu)成了此類(lèi)設(shè)備的大部分。

隧道磁阻器件利用隧道磁阻效應(yīng)來(lái)檢測(cè)和測(cè)量磁場(chǎng)。這與磁隧道結(jié)中鐵磁層的磁化有關(guān)。當(dāng)磁鐵對(duì)齊時(shí)，會(huì)觀察到低電阻狀態(tài)，電子可以很容易地穿過(guò)它們之間的薄絕緣屏障。當(dāng)磁體未對(duì)齊時(shí)，電子的隧穿效率會(huì)降低并導(dǎo)致更高的電阻。這種電阻變化表示為磁阻比，這是決定隧道磁阻器件效率的關(guān)鍵指標(biāo)。磁阻比越高，器件越好。

目前的隧道磁阻器件包括氧化鎂和鐵基磁性合金，如鐵鈷合金。鐵基合金在環(huán)境條件下具有體心立方晶體結(jié)構(gòu)，在含有巖鹽型氧化鎂的器件中表現(xiàn)出巨大的隧道磁阻效應(yīng)。

有兩項(xiàng)著名的研究使用這些鐵基合金生產(chǎn)了顯示高磁阻比的磁阻器件。2004年第一屆由日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所和IBM合作;第二次發(fā)生在 2008 年，當(dāng)時(shí)東北大學(xué)的研究人員報(bào)告稱(chēng)，室溫下的磁阻比超過(guò) 600%，在接近零開(kāi)爾文的溫度下躍升至 1000%。

自從這些突破以來(lái)，各種研究所和公司在珩磨設(shè)備物理、材料和工藝方面投入了大量精力。然而，除了鐵基合金外，只有一些赫斯勒型有序磁性合金表現(xiàn)出如此巨大的磁阻。

日本東北大學(xué)的 Tomohiro Ichinose 博士和 Shigemi Mizukami 教授最近開(kāi)始探索熱力學(xué)亞穩(wěn)態(tài)材料，以開(kāi)發(fā)一種能夠展示類(lèi)似磁阻比的新材料。為此，他們專(zhuān)注于具有體心立方亞穩(wěn)態(tài)晶體結(jié)構(gòu)的鈷錳合金的強(qiáng)磁性。

“鈷錳合金具有面心立方或六方晶體結(jié)構(gòu)作為熱力學(xué)穩(wěn)定相。由于這種穩(wěn)定相表現(xiàn)出弱磁性，因此從未將其作為隧道磁阻器件的實(shí)用材料進(jìn)行研究，”Mizukami 說(shuō)。

早在 2020 年，該小組就報(bào)道了一種使用具有亞穩(wěn)態(tài)體心立方晶體結(jié)構(gòu)的鈷錳合金的設(shè)備。

他們利用數(shù)據(jù)科學(xué)和/或高通量實(shí)驗(yàn)方法，以這一發(fā)現(xiàn)為基礎(chǔ)，通過(guò)向亞穩(wěn)態(tài)體心立方鈷錳合金中添加少量鐵，成功地在器件中獲得了巨大的磁阻。磁阻比在室溫下為350%，在低溫下也超過(guò)1000%。此外，器件制造采用濺射法和加熱工藝，與當(dāng)前行業(yè)兼容。

Mizukami 補(bǔ)充說(shuō)：“我們已經(jīng)生產(chǎn)出第三種新型磁性合金，用于隧道磁阻器件，顯示出巨大的磁阻，它為未來(lái)的改進(jìn)設(shè)定了一個(gè)替代方向。”

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