Anisotropi Magnetik Perpendikular dan Modulasi Magnetisasi Induksi Hidrogen pada Multilapis Ta/Pd/CoFeMnSi/MgO/Pd

Latar Belakang

Hidrogen (H₂) dengan cepat muncul sebagai bahan bakar bersih dengan kepadatan energi tinggi, namun penanganannya yang aman memerlukan teknologi deteksi yang andal. Sensor konduktometrik padat konvensional kurang selektivitas kimia dan terganggu oleh interferensi kelembaban [1]. Sensor magnetik, terutama yang menggabungkan paladium (Pd), telah terbukti sangat selektif dan sensitif terhadap H₂ karena katalisis disosiasi hidrogen oleh Pd dan ekspansi lattice yang dihasilkan [2,3,4].

Dalam paduan ferromagnetik kaya Pd dan multilapis Pd/ferromagnet (FM)—seperti Co₁₇Pd₈₃, Pd/Fe, [Co/Pd]₁₂, dan Pd/Co/Pd—penyerapan hidrogen menginduksi perubahan magnetik yang terukur dengan memperluas lattice Pd sebesar 2–3 % [5–7]. Regangan ini mengubah hibridisasi orbital d-d antarmuka yang mengatur anisotropi magnetik perpendikular (PMA). Karena regangan antarmuka sangat sensitif terhadap pemuatan hidrogen, film berbasis PMA dengan lapisan Pd menawarkan jalur yang promising untuk deteksi hidrogen yang ultra-sensitif.

Anisotropi perpendikular pada antarmuka FM/Logam Mulia atau FM/Oksida timbul dari hibridisasi d-d atau d-p dan sangat dimodulasi oleh regangan antarmuka [8–12]. Paduan Heusler empat elemen CoFeMnSi (CFMS) adalah semikonduktor sempit jarak (SGS) yang menunjukkan sensitivitas medan eksternal yang jelas, memosisikannya sebagai lapisan FM yang menarik untuk aplikasi sensor [13–16]. Di sini, kami merancang struktur Ta/Pd/CFMS/MgO/Pd untuk mencapai PMA yang kuat dan menyelidiki modulasi magnetik yang diinduksi oleh hidrogen, memanfaatkan sensitivitas regangan antarmuka baik pada antarmuka Pd/CFMS maupun CFMS/MgO.

Metode

Empat tumpukan film ditetapkan pada substrat Si dengan pemantulan sputtering di bawah tekanan dasar <2,6×10⁻⁵ Pa. Tumpukan adalah: (i) Ta (6 nm)/Pd (2,4 nm)/CFMS (2,3 nm)/MgO (t_MgO)/Pd (2 nm) (0,9–1,5 nm); (ii) Ta (6 nm)/Pd (2,4 nm)/CFMS (t_CFMS)/MgO (1,3 nm)/Pd (2 nm) (1,9–3,1 nm); (iii) Ta (6 nm)/Pd (2,4 nm)/CFMS (2,3 nm)/Pd (2 nm); dan (iv) Ta (6 nm)/CFMS (2,3 nm)/MgO (1,3 nm)/Pd (2 nm). CFMS di-sputter pada 0,9 Pa Ar, 40 W DC; MgO pada 0,2 Pa Ar, 150 W RF; Ta pada 0,3 Pa Ar, 50 W DC; Pd pada 0,3 Pa Ar, 25 W DC. Pemanasan pasca-setoran (250–450 °C, 30 menit, <10⁻⁴ Pa) mengoptimalkan urutan antarmuka.

Magnetometri dilakukan dengan Lakeshore 7404 VSM pada suhu ruang. Resistansi Hall di bawah pemuatan H₂ dinamis diukur dengan sistem ET9000. Konsentrasi hidrogen (0–5 %) dikontrol dengan mencampur aliran H₂/Ar (5:95) dan N₂ pada aliran total 3,5 L menit⁻¹.

Hasil dan Pembahasan

Ketebalan MgO dan PMA – Gambar 1 menunjukkan loop M–H untuk film Ta/Pd/CFMS/MgO/Pd yang dipanaskan pada 300 °C. Semua sampel menunjukkan sumsi mudah keluar dari bidang yang kuat; anisotropi mencapai puncak pada t_MgO = 1,3 nm, mencapai loop squareness (M_r/M_s) ≈ 1. MgO yang terlalu tipis atau tebal mengurangi ikatan Co–O dan melemahkan PMA, selaras dengan laporan sebelumnya [11,12].

Loop M–H dalam bidang (a) dan keluar dari bidang (b–d) untuk t_MgO yang bervariasi pada 300 °C.

Suhu pemanasan – Gambar 2 menunjukkan bahwa film yang baru ditetapkan menunjukkan anisotropi dalam bidang (IMA). Pemanasan pada 300 °C menginduksi PMA; anisotropi ini bertahan hingga 350 °C tetapi merusak di atas 400 °C karena difusi antar yang mengganggu hibridisasi d-d [9,12,17,18].

Loop dalam bidang dan keluar dari bidang untuk suhu pemanasan yang bervariasi.

Kontribusi antarmuka – Gambar 3 membandingkan tumpukan yang kurang MgO atau Pd. Menghapus MgO menghilangkan PMA; menghilangkan Pd bawah melemahinya, mengonfirmasi bahwa baik antarmuka Pd/CFMS maupun CFMS/MgO esensial, dengan yang terakhir memberikan kontribusi dominan melalui ikatan Co–O yang optimal [12,17].

Loop M–H untuk (a) Ta/Pd/CFMS/Pd, (b) Ta/CFMS/MgO/Pd, dan (c) Ta/Pd/CFMS/MgO/Pd pada 300 °C. (d) K_eff×t_CFMS vs. t_CFMS pada berbagai pemanasan.

Dari Eq. (1), anisotropi efektif diukur. K_eff terbesar (5,6×10⁵ erg cm⁻³) terjadi untuk t_CFMS = 2,3 nm, mengonfirmasi kontribusi antarmuka yang kuat.

Modulasi magnetik yang diinduksi oleh hidrogen – Di bawah 5 % H₂, loop keluar dari bidang bergeser, meningkatkan medan saturasi dari 5,5 ke 18 Oe dan mengurangi M_r sebesar 75 % (Gambar 4). Efek ini dapat dibalik: penghapusan H₂ memulihkan loop asli, menunjukkan bahwa penyerapan hidrogen di Pd memperkenalkan regangan tarik yang modulasi magnetisasi CFMS. Pengukuran resistansi Hall (Gambar 5) menunjukkan kenaikan yang lebih cepat selama penyerapan H₂ dibandingkan desorpsi, mencerminkan dinamika regangan antarmuka.

Loop M–H keluar dari bidang di bawah H₂ (a), setelah penghapusan H₂ (b), dan ketergantungan M_r dan H_k pada konsentrasi H₂ (c).

Evolusi waktu resistansi Hall selama penyerapan dan desorpsi H₂.

Kesimpulan

Kami telah menunjukkan bahwa multilapis Ta/Pd/CFMS/MgO/Pd, ketika dipanaskan pada 300 °C, menunjukkan PMA yang luar biasa dengan K_eff = 5,6×10⁵ erg cm⁻³ dan loop squareness hampir satu untuk t_CFMS = 2,3 nm dan t_MgO = 1,3 nm. Film sangat responsif terhadap hidrogen: lingkungan 5 % H₂ mengurangi magnetisasi residu sebesar 75 % sambil meningkatkan medan saturasi dengan faktor sekitar 3. Respons magnetik yang dapat dibalik, yang didorong oleh ekspansi lattice yang dimediasi oleh Pd dan regangan antarmuka yang dihasilkan, mengidentifikasi sistem ini sebagai platform yang promising untuk penginderaan hidrogen dengan sensivitas tinggi.

Singkatan

CFMS

CoFeMnSi

IMA

Anisotropi magnetik dalam bidang

PMA

Anisotropi magnetik perpendikular