Anisotropia Magnética Perpendicular e Mudança Magnética Induzida por Hidrogenação de Multicamadas Ta / Pd / CoFeMnSi / MgO / Pd

Resumo

A anisotropia magnética perpendicular (PMA) foi obtida no filme Ta / Pd / CoFeMnSi (CFMS) / MgO / Pd, no qual o composto de Heusler CoFeMnSi é um dos mais promissores candidatos a semicondutor spin gapless (SGS). O PMA forte, com a constante de anisotropia efetiva K _eff de 5,6 × 10 ⁵ erg / cm ³ (5,6 × 10 ⁴ J / m ³ ), pode ser observada nos filmes Ta / Pd / CFMS (2,3 nm) / MgO (1,3 nm) / Pd recozidos a 300 ° C. Além disso, verificou-se que as propriedades magnéticas dos filmes Ta / Pd / CFMS / MgO / Pd são sensíveis ao hidrogênio (H ₂ ) sob um campo magnético fraco (<30 Oe), cuja magnetização residual (M _r ) diminuiu de 123,15 para 30,75 emu / cm ³ na atmosfera com H ₂ concentração de 5%.

Histórico

Hoje em dia, o hidrogênio (H ₂ ) como uma das novas fontes de energia limpa e eficiente tem atraído cada vez mais atenções e, assim, garantir a segurança de seu uso torna-se cada vez mais significativo. O sensor de gás condutométrico de estado sólido é comumente usado para detectar o hidrogênio, mas carece de seletividade química e sensibilidade à umidade [1]. Recentemente, os sensores magnéticos têm se mostrado uma forma útil de detectar os diversos gases, em especial o hidrogênio, em que as estruturas de filme contendo camada de paládio (Pd) estão atualmente sob intenso estudo porque o Pd possui alta sensibilidade [2] e seletividade [3] para hidrogênio. Assim, os filmes contendo Pd podem ser usados como um catalisador eficaz para a dissociação e absorção de hidrogênio [4]. Até o momento, muitos estudos relataram a mudança magnética induzida por hidrogenação em filmes de liga magnética rica em Pd e filmes multicamadas de Pd / camada ferromagnética (Pd / FM), como Co ₁₇ Pd ₈₃ [1], Pd / Fe [5], [Co / Pd] ₁₂ [6] e filmes Pd / Co / Pd [7]. A mudança magnética induzida por hidrogenação pode ser atribuída ao inchaço da rede de Pd devido à absorção de hidrogênio, que pode contribuir para uma expansão de volume de cerca de 2-3%.

Por outro lado, o Pd como um metal nobre é comumente usado para realizar a anisotropia magnética perpendicular (PMA) devido ao d - d hibridização orbital de elétrons nas interfaces de Pd / camada ferromagnética. Este efeito interfacial crítico da hibridização elétron-orbital é muito sensível à deformação ou estresse interfacial [8], que poderia ser trazido através da evolução do volume do metal nobre. Portanto, a alta sensibilidade da mudança magnética induzida por hidrogênio pode ser esperada do filme de PMA com camada de Pd, fazendo uso das fortes dependências interfaciais da anisotropia magnética perpendicular.

Até agora, um grande número de estudos de PMA foram relatados, os quais foram originados do d - d ou d - p hibridizações orbitais de elétrons de camada ferromagnética e metal nobre (Pt, Pd) ou oxigênio de óxidos nas interfaces [9,10,11,12]. Além disso, o composto quaternário de Heusler CoFeMnSi (CFMS) provou ser um semicondutor de spin gapless (SGS) [13,14,15], que também é muito sensível ao campo externo [16], mostrando as potenciais vantagens de ser um sensor . Neste trabalho, os filmes estruturados de Ta / Pd / CoFeMnSi / MgO / Pd foram projetados para atingir o PMA forte pelo efeito interfacial, e a mudança magnética induzida por hidrogenação foi explorada. Diferente dos relatórios acima [1, 5,6,7], a estrutura de filme anisotrópico magnético perpendicular e a camada ferromagnética CoFeMnSi semelhante a SGS são todas sensíveis aos efeitos extrínsecos, como tensão interfacial ou deformação. Assim, a mudança altamente sensível do magnetismo poderia ser esperada dos filmes sob um baixo campo magnético.

Métodos

Quatro conjuntos de amostras foram preparados da seguinte forma:Ta (6 nm) / Pd (2,4 nm) / CoFeMnSi (2,3 nm) / MgO ( t _MgO ) / Pd (2 nm) ( t _MgO =0,9-1,5 nm) (doravante referir-se a Ta / Pd / CFMS (2,3 nm) / MgO ( t _MgO ) / Pd), Ta (6 nm) / Pd (2,4 nm) / CoFeMnSi ( t _CFMS ) / MgO (1,3 nm) / Pd (2 nm) ( t _CFMS =1,9-3,1 nm) (doravante referir-se a Ta / Pd / CFMS ( t _CFMS ) / MgO (1,3 nm) / Pd), Ta (6 nm) / Pd (2,4 nm) / CoFeMnSi (2,3 nm) / Pd (2 nm) (doravante referir-se a Ta / Pd / CFMS / Pd), e Ta ( 6 nm) / CoFeMnSi (2,3 nm) / MgO (1,3 nm) / Pd (2 nm) (doravante referir-se a Ta / CFMS / MgO / Pd). Todos os filmes foram depositados no substrato de Si por sistema de pulverização catódica de magnetron sob uma pressão de base melhor do que 2,6 × 10 ⁻⁵ Pa à temperatura ambiente. A pureza do alvo CoFeMnSi era melhor do que 99,9%. A camada de CFMS foi depositada sob pressão de Ar de 0,9 Pa com potência DC de 40 W. A camada de MgO foi depositada sob pressão de Ar de 0,2 Pa com potência de RF de 150 W. A camada Ta foi depositada sob pressão de Ar de 0,3 Pa com a potência DC de 50 W, e a camada de Pd foi depositada sob pressão de Ar de 0,3 Pa com a potência DC de 25 W. Os filmes foram recozidos dentro da faixa de temperatura de 250 a 450 ° C por 30 min sob uma câmara de vácuo abaixo de 10 ⁻⁴ Pa.

As propriedades magnéticas foram caracterizadas por magnetômetro de amostra vibratória (VSM:Lakeshore 7404). O sistema de medição de propriedade de transporte elétrico (ET Chen, ET9000) foi usado para monitorar a resistividade de Hall com a mudança de absorção e dessorção de hidrogênio em tempo real. Todas as medições foram realizadas à temperatura ambiente e pressão atmosférica. A taxa de fluxo total do gás foi fixada em 3,5 L / min para a sensibilidade do gás hidrogênio. A concentração de hidrogênio foi ajustada controlando a taxa de fluxo do gás misturado (H ₂ :Ar =5:95) e gás nitrogênio (N ₂ )

Resultados e discussão

Para entender o efeito da espessura da camada de MgO no PMA, a Fig. 1 mostra loops de histerese magnética medidos ao longo das direções no plano e fora do plano para Ta / Pd / CFMS (2,3 nm) / MgO ( t _MgO ) / Filmes de Pd recozidos a 300 ° C com espessuras variadas t _MgO . Todas as amostras são facilmente magnetizadas ao longo da direção fora do plano, e grandes campos de saturação são necessários ao longo da direção dentro do plano, exibindo comportamentos PMA. A força do PMA primeiro aumenta com o aumento de t _MgO e atinge o valor máximo com a quadratura (M _r / M _s ) perto de 1 quando t _MgO =1,3 nm enquanto obviamente diminui com o aumento adicional de t _MgO .

Loops M-H dentro e fora do plano de Ta / Pd / CFMS (2,3 nm) / MgO ( t _MgO ) / Pd recozido a 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

A fim de elucidar a influência da temperatura de recozimento no PMA, a Fig. 2 mostra os loops MH dos filmes Ta / Pd / CFMS (2,3 nm) / MgO (1,3 nm) / Pd recozidos em diferentes temperaturas (250-450 ° C) . A amostra conforme depositada exibe uma anisotropia magnética no plano (IMA), como pode ser visto na Fig. 2a. A anisotropia magnética não mudou após o recozimento a uma temperatura baixa de 250 ° C (Fig. 2b). O eixo de fácil magnetização da amostra recozida a 300 ° C mudou para a direção fora do plano, mostrando forte PMA (Fig. 2c). O PMA pode ser mantido após T _um subindo para 350 ° C, mas a quadratura diminuiu. Com o aumento do T _um , o PMA foi destruído e o eixo de fácil magnetização mudou de volta para a orientação no plano (Fig. 2e, f). Os resultados indicam que o PMA forte só pode ser alcançado na temperatura de recozimento adequada e é fácil de ser deteriorado em uma temperatura de recozimento mais alta. Isso ocorre porque a alta temperatura de anelamento pode dar origem à interdifusão intensificada dos átomos na interface e deteriorar a hibridização orbital de elétrons, o que é consistente com nossos relatórios anteriores [9, 12, 17, 18].

Loops M-H dentro e fora do plano dos filmes Ta / Pd / CFMS (2,3 nm) / MgO (1,3 nm) / Pd recozidos em diferentes temperaturas. a Como depositado. b 250 ° C. c 300 ° C. d 350 ° C. e 400 ° C. f 450 ° C

A fim de esclarecer o efeito interfacial no PMA nos filmes Ta / Pd / CFMS / MgO / Pd, os loops M-H de diferentes pilhas de filme foram dados na Fig. 3a-c. Conforme mostrado na Fig. 3a, o filme sem camada de MgO apresenta forte comportamento IMA. Mas para o filme sem a camada inferior de Pd, o eixo de magnetização fácil da amostra Ta / CFMS / MgO / Pd exibe um ligeiro deslocamento da direção no plano, mostrando o IMA fraco (Fig. 3b). O PMA forte é observado no filme após a inserção das camadas de Pd e MgO (ou seja, Ta / Pd / CFMS / MgO / Ta) como visto na Fig. 3c, o que implica que tanto a interface Pd / CFMS quanto a interface CFMS / MgO são essenciais para perceber o PMA, e a contribuição da interface CFMS / MgO para o PMA desempenha um papel importante [12, 17]. Ou seja, uma quantidade apropriada de ligações Co-O na interface CFMS / MgO é útil para alcançar o PMA ideal. A camada fina de MgO torna o CFMS / MgO suboxidado (Fig. 1a, b), e a camada espessa de MgO torna o CFMS / MgO superoxidado (Fig. 1d), o que enfraquece o PMA [11]. Conforme mostrado na Fig. 1c, a amostra com t _MgO =1,3 nm tem as ligações Co-O adequadas na interface CFMS / MgO para obter PMA forte.

Os loops M-H de a Ta / Pd / CFMS / Pd, b Ta / CFMS / MgO / Pd e c Ta / Pd / CFMS (2,3 nm) / MgO (1,3 nm) / Pd recozido a 300 ° C e d a dependência da espessura da camada CFMS de K _eff × t _CFMS produto para Ta / Pd / CFMS ( t _CFMS ) / MgO (1,3 nm) / Pd recozido em diferentes temperaturas

Para quantificar a força de PMA nos filmes Ta / Pd / CFMS / MgO / Pd, a constante de anisotropia efetiva K _eff É dado por
$$ {K} _ {\ mathrm {ef}} ={K} _v-2 \ uppi {M} _S ^ 2 + {K} _S / {t} _ {\ mathrm {CFMS}} $$ (1)
onde K _V e K _S são a anisotropia em massa e de interface, respectivamente. K _eff é determinado pelas diferenças de energia de magnetização entre as direções de magnetização difícil e fácil. O positivo K _eff representa PMA, e o negativo K _eff representa o IMA. O produto de K _eff × t _CFMS como uma função de t _CFMS para o Ta / Pd / CFMS ( t _CFMS ) / MgO (1,3 nm) / filmes de Pd recozidos em diferentes temperaturas é mostrado na Fig. 3d. Todos os filmes depositados apresentam o negativo K _eff , implicando a ausência de PMA. O PMA dos filmes recozidos a 250 ° C só pode ser observado com t _CFMS =1,9 nm. Para os filmes recozidos a 300 ° C, o PMA pode ser mantido dentro de uma ampla t _CFMS intervalo (abaixo de 2,7 nm). O maior K _eff o valor da amostra é 5,6 × 10 ⁵ erg / cm ³ (5,6 × 10 ⁴ J / m ³ ) com t _CFMS =2,3 nm.

Conforme mostrado acima, o PMA é muito sensível ao ambiente interfacial, que também pode ser afetado pela absorção ou dessorção de gás do metal nobre Pd. Assim, a mudança magnética induzida por hidrogenação foi investigada nos filmes Ta / Pd / CFMS (2,3 nm) / MgO (1,3 nm) / Pd recozidos a 300 ° C. Os loops M-H foram verificados sob diferentes atmosferas de gás através da variação do H ₂ concentração como mostrado na Fig. 4a. Observado aqui, os loops M-H não podem ser afetados pelo nitrogênio puro N ₂ e atmosferas de argônio Ar puro (dados não mostrados aqui). Depois de apresentar H ₂ , o loop M-H muda significativamente e o eixo de magnetização fácil se afasta da direção fora do plano, mostrando um grande campo de saturação da curva magnética fora do plano. Verifica-se que o campo de saturação aumenta com o aumento de H ₂ concentração. A amostra exibe uma excelente sensibilidade ao hidrogênio sob um pequeno campo magnético aplicado (<30 Oe). A Figura 4b mostra os loops M-H medidos sob a atmosfera de ar antes e depois da adição de H ₂ . Pode ser visto que o loop M-H está bem de volta ao estado inicial após a remoção de H ₂ . Conforme mostrado na Fig. 4c, M _r diminui de 123,15 para 30,75 emu / cm ³ (diminuiu 75%), e o campo de saturação (H _k ) aumenta de 5,5 para 18 Oe com aumento de H ₂ concentração de 0 a 5%.

Os loops M-H fora do plano para filmes de Ta / Pd / CFMS (2,3 nm) / MgO (1,3 nm) / Pd recozidos a 300 ° C. a Sob H ₂ introdução. b Comparação depois de remover H ₂ . c A dependência de M _r e H _k em H ₂ concentração

A Figura 5 mostra a dependência da resistividade de Hall no tempo para H ₂ absorção e dessorção em Ta / Pd / CFMS (2,3 nm) / MgO (1,3 nm) / Pd recozido a 300 ° C. Conforme mostrado na Fig. 5, H ₂ a taxa de absorção é mais rápida do que a taxa de dessorção. A resistividade Hall aumentou gradualmente até ficar saturada em 70 min após ser exposta a H ₂ . No entanto, através da introdução de N ₂ para expulsar H ₂ , a resistividade de Hall diminui apenas 60% devido ao H ₂ não modificado . A resistividade Hall aumentou / diminuiu rapidamente no início (primeiros 10 min) sob os processos de H ₂ absorção / dessorção, visto que a resistividade Hall está principalmente relacionada à camada magnética (CoFeMnSi). Assim, pode-se deduzir que as mudanças de resistividade no início são principalmente originadas das variações interfaciais entre as camadas de Pd e CoFeMnSi devido a H ₂ absorção / dessorção. A mudança de resistividade na fase posterior pode ser as mudanças intrínsecas de filmes multicamadas devido ao H ₂ absorvido . Em comparação com a Fig. 4b, a detecção magnética de filmes multicamadas pode ser muito reproduzível devido à boa recuperação do desempenho magnético em comparação às variações de resistividade.

A dependência da resistividade de Hall no tempo sob H ₂ absorção e dessorção para filmes de Ta / Pd / CFMS (2,3 nm) / MgO (1,3 nm) / Pd recozidos a 300 ° C

Como mencionado acima, a mudança magnética induzida por hidrogenação vem principalmente do estresse atuando no filme com H ₂ absorção de Pd no sistema de filme Ta / Pd / CFMS (2,3 nm) / MgO (1,3 nm) / Pd [19]. Sabe-se que o Pd é um catalisador eficaz para dissociar a molécula de hidrogênio [4]. As moléculas de hidrogênio são adsorvidas e dissociadas em átomos de hidrogênio na superfície da camada de Pd. A rede de Pd poderia ser expandida com a absorção de átomos de hidrogênio [20], que por sua vez apresenta tensão de tração em sua camada adjacente de MgO e CFMS, levando ao magnetismo controlável de CoFeMnSi. Após descarregar H ₂ , os átomos de hidrogênio podem escapar da superfície da membrana de Pd [21], causando a recuperação do desempenho magnético.

Conclusões

Demonstramos o forte PMA e a mudança magnética induzida por hidrogenação nos filmes Ta / Pd / CFMS / MgO / Pd. A quadratura do laço (M _r / M _s ) é próximo de 1 para a amostra com t _CFMS =2,3 nm e t _MgO =1,3 nm após o recozimento a 300 ° C, obtendo uma alta anisotropia magnética perpendicular K _eff valor de 5,6 × 10 ⁵ erg / cm ³ . Devido à absorção de hidrogênio de Pd, o filme de Ta / Pd / CFMS / MgO / Pd recozido a 300 ° C exibiu excelente sensibilidade ao hidrogênio; a magnetização residual (M _r ) diminuiu 75% sob a atmosfera com H ₂ de 5%.

Abreviações

CFMS:: CoFeMnSi
IMA:: Anisotropia magnética no plano
PMA:: Anisotropia magnética perpendicular

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