Anisotropi Magnetik Tegak Lurus dan Perubahan Magnetik yang Diinduksi Hidrogenasi dari Multilayer Ta/Pd/CoFeMnSi/MgO/Pd

Hasil dan Diskusi

Untuk memahami pengaruh ketebalan lapisan MgO pada PMA, Gambar 1 menunjukkan loop histeresis magnetik yang diukur sepanjang arah in-plane dan out-of-plane untuk Ta/Pd/CFMS (2,3 nm)/MgO (t _MgO )/Film Pd dianil pada 300 °C dengan ketebalan yang bervariasi t _MgO . Semua sampel mudah dimagnetisasi di sepanjang arah luar bidang, dan bidang saturasi yang besar diperlukan di sepanjang arah bidang dalam, yang menunjukkan perilaku PMA. Kekuatan PMA pertama-tama meningkat dengan meningkatnya t _MgO dan mencapai nilai maksimum dengan kuadrat (M_r /M_s ) mendekati 1 saat t _MgO = 1,3 nm sementara jelas menurun dengan peningkatan lebih lanjut t _MgO .

Loop M-H di dalam dan di luar bidang dari Ta/Pd/CFMS (2,3 nm)/MgO (t _MgO )/Pd dianil pada 300 °C. a t _MgO = 0,9 nm. b t _MgO = 1,1 nm. c t _MgO = 1,3 nm. d t _MgO = 1,5 nm

Untuk menjelaskan pengaruh suhu anil pada PMA, Gambar 2 menunjukkan loop MH dari film Ta/Pd/CFMS (2,3 nm)/MgO (1,3 nm)/Pd yang dianil pada suhu yang berbeda (250–450 °C) . Sampel yang diendapkan menunjukkan anisotropi magnetik dalam bidang (IMA) seperti yang terlihat pada Gambar 2a. Anisotropi magnetik tidak berubah setelah anil pada suhu rendah 250 °C (Gbr. 2b). Sumbu magnetisasi yang mudah dari sampel yang dianil pada 300 °C bergeser ke arah luar bidang, menunjukkan PMA yang kuat (Gbr. 2c). PMA dapat dipertahankan setelah T _sebuah naik menjadi 350 °C, tetapi kuadratnya menurun. Dengan lebih meningkatkan T _sebuah , PMA dihancurkan dan sumbu magnetisasi mudah bergeser kembali ke orientasi dalam bidang (Gbr. 2e, f). Hasil penelitian menunjukkan bahwa PMA yang kuat hanya dapat dicapai pada suhu annealing yang tepat dan mudah rusak pada suhu annealing yang lebih tinggi. Ini karena suhu annealing yang tinggi dapat meningkatkan inter-difusi atom yang intensif pada antarmuka dan memperburuk hibridisasi orbital elektron, yang konsisten dengan laporan kami sebelumnya [9, 12, 17, 18].

Loop M-H in-plane dan out-of-plane dari film Ta/Pd/CFMS (2,3 nm)/MgO (1,3 nm)/Pd dianil pada suhu yang berbeda. a Seperti yang disetorkan. b 250 °C. c 300 °C. d 350 °C. e 400 °C. f 450 °C

Untuk memperjelas efek antarmuka pada PMA dalam film Ta/Pd/CFMS/MgO/Pd, loop MH dari tumpukan film yang berbeda diberikan pada Gambar. 3a-c. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3a, film tanpa lapisan MgO menunjukkan perilaku IMA yang kuat. Tetapi untuk film tanpa lapisan Pd bawah, sumbu magnetisasi yang mudah dari sampel Ta/CFMS/MgO/Pd menunjukkan sedikit pergeseran dari arah dalam bidang, menunjukkan IMA yang lemah (Gbr. 3b). PMA yang kuat diamati dalam film setelah memasukkan lapisan Pd dan MgO (yaitu, Ta/Pd/CFMS/MgO/Ta) seperti yang terlihat pada Gambar. 3c, menyiratkan bahwa antarmuka Pd/CFMS dan CFMS/MgO sangat penting untuk mewujudkan PMA, dan kontribusi antarmuka CFMS/MgO ke PMA memainkan peran utama [12, 17]. Artinya, jumlah ikatan Co-O yang tepat pada antarmuka CFMS/MgO sangat membantu untuk mencapai PMA yang optimal. Lapisan MgO yang tipis membuat CFMS/MgO kurang teroksidasi (Gbr. 1a, b), dan lapisan MgO yang tebal membuat CFMS/MgO teroksidasi (Gbr. 1d), yang keduanya melemahkan PMA [11]. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 1c, sampel dengan t _MgO = 1,3 nm memiliki ikatan Co-O yang tepat di antarmuka CFMS/MgO untuk mendapatkan PMA yang kuat.

Perulangan M-H dari a Ta/Pd/CFMS/Pd, b Ta/CFMS/MgO/Pd, dan c Ta/Pd/CFMS (2,3 nm)/MgO (1,3 nm)/Pd dianil pada 300 °C dan d ketergantungan ketebalan lapisan CFMS dari K _eff × t _CFMS produk untuk Ta/Pd/CFMS (t _CFMS )/MgO (1,3 nm)/Pd dianil pada suhu yang berbeda

Untuk mengukur kekuatan PMA dalam film Ta/Pd/CFMS/MgO/Pd, konstanta anisotropi efektif K _eff diberikan oleh

dimana K _V dan K _S adalah anisotropi massal dan antarmuka, masing-masing. K _eff ditentukan oleh perbedaan energi magnetisasi antara arah magnetisasi keras dan mudah. K positive yang positif _eff mewakili PMA, dan K negative negatif _eff mewakili IMA. Produk K _eff × t _CFMS sebagai fungsi dari t _CFMS untuk Ta/Pd/CFMS (t _CFMS )/MgO (1,3 nm)/film Pd anil pada suhu yang berbeda ditunjukkan pada Gambar. 3d. Semua film yang disimpan menampilkan K negative negatif _eff , menyiratkan tidak adanya PMA. PMA film yang dianil pada 250 °C hanya dapat diamati dengan t _CFMS = 1,9 nm. Untuk film yang dianil pada 300 °C, PMA dapat dipertahankan dalam t yang lebar _CFMS rentang (di bawah 2,7 nm). K . terbesar _eff nilai sampelnya adalah 5,6 × 10 ⁵ erg/cm ³ (5.6 × 10 ⁴ J/m ³ ) dengan t _CFMS = 2,3 nm.

Seperti yang ditunjukkan di atas, PMA sangat sensitif terhadap lingkungan antarmuka, yang juga dapat dipengaruhi melalui penyerapan gas atau desorpsi logam mulia Pd. Dengan demikian, perubahan magnetik yang diinduksi hidrogenasi diselidiki pada film Ta/Pd/CFMS (2,3 nm)/MgO (1,3 nm)/Pd yang dianil pada 300 °C. Loop M-H diperiksa di bawah atmosfer gas yang berbeda dengan memvariasikan H₂ konsentrasi seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4a. Dicatat di sini, loop M-H tidak dapat dipengaruhi oleh nitrogen murni N₂ dan atmosfer Argon murni (data tidak ditampilkan di sini). Setelah memperkenalkan H₂ , loop M-H berubah secara signifikan, dan sumbu magnetisasi mudah bergeser dari arah luar bidang, menunjukkan bidang saturasi besar dari kurva magnet luar bidang. Ditemukan bahwa medan saturasi meningkat dengan meningkatnya H₂ konsentrasi. Sampel menunjukkan sensitivitas hidrogen yang sangat baik di bawah medan magnet kecil yang diterapkan (< 30 Oe). Gambar 4b menunjukkan loop M-H yang diukur di bawah atmosfer udara sebelum dan sesudah penambahan H₂ . Dapat dilihat bahwa loop M-H kembali ke keadaan awal setelah menghilangkan H₂ . Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4c, M_r berkurang dari 123,15 menjadi 30,75 emu/cm ³ (berkurang 75%), dan bidang saturasi (H_k ) meningkat dari 5,5 menjadi 18 Oe dengan meningkatnya H₂ konsentrasi dari 0 hingga 5%.

Loop M-H di luar bidang untuk film Ta/Pd/CFMS (2,3 nm)/MgO (1,3 nm)/Pd dianil pada 300 °C. a Di bawah H₂ pengantar. b Perbandingan setelah menghapus H₂ . c Ketergantungan M_r dan H_k pada H₂ konsentrasi

Gambar 5 menunjukkan ketergantungan resistivitas Hall terhadap waktu untuk H₂ penyerapan dan desorpsi dalam Ta/Pd/CFMS (2,3 nm)/MgO (1,3 nm)/Pd anil pada 300 °C. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 5, H₂ laju absorpsi lebih cepat dari laju desorpsi. Resistivitas Hall secara bertahap meningkat menjadi jenuh dalam 70 menit setelah terpapar H₂ . Namun, dengan memperkenalkan N₂ untuk mengeluarkan H₂ , resistivitas Hall hanya berkurang 60% karena H₂ . yang tidak terdesorpsi . Resistivitas Hall meningkat/menurun dengan cepat di awal (10 menit pertama) di bawah proses H₂ penyerapan / desorpsi, karena resistivitas hall terutama terkait dengan lapisan magnetik (CoFeMnSi). Dengan demikian, dapat disimpulkan bahwa perubahan resistivitas pada awalnya sebagian besar berasal dari variasi antarmuka antara lapisan Pd dan CoFeMnSi karena H₂ penyerapan/desorpsi. Perubahan resistivitas pada tahap selanjutnya bisa menjadi perubahan intrinsik film multilayer karena diserap H₂ . Dibandingkan dengan Gambar. 4b, deteksi magnetik film berlapis-lapis bisa sangat direproduksi karena pemulihan kinerja magnetik yang baik dibandingkan dengan variasi resistivitas.

Ketergantungan resistivitas Hall pada waktu di bawah H₂ penyerapan dan desorpsi untuk film Ta/Pd/CFMS (2,3 nm)/MgO (1,3 nm)/Pd yang dianil pada 300 °C

Seperti disebutkan di atas, perubahan magnet yang diinduksi hidrogenasi terutama berasal dari tegangan yang bekerja pada film dengan H₂ penyerapan Pd dalam sistem film Ta/Pd/CFMS (2,3 nm)/MgO (1,3 nm)/Pd [19]. Diketahui bahwa Pd merupakan katalis yang efektif untuk mendisosiasi molekul hidrogen [4]. Molekul hidrogen teradsorpsi dan terdisosiasi menjadi atom hidrogen pada permukaan lapisan Pd. Kisi Pd dapat diperluas dengan penyerapan atom hidrogen [20], yang pada gilirannya memiliki tegangan tarik ke lapisan MgO dan CFMS yang berdekatan, yang mengarah ke magnetisme CoFeMnSi yang dapat dikontrol. Setelah pemakaian H₂ , atom hidrogen dapat lepas dari permukaan membran Pd [21], menyebabkan pemulihan kinerja magnetik.