半導體所在垂直磁各向異性材料MnGa研究方面取得重要進展

2021-01-14 中國科學院

最近，國際期刊《先進材料》報導了中科院半導體研究所超晶格室趙建華研究員和博士生朱禮軍的最新研究成果——製備出室溫環境中同時具有超高垂直矯頑力、超強垂直磁各向異性和大磁能積MnGa單晶鐵磁薄膜。

同時具有高矯頑力、高垂直磁各向異性和高磁能積的磁性材料在超高密度垂直磁記錄（~10Tb/inch2）、高性能永磁體和高熱穩定性並抗電磁幹擾的自旋電子器件等方面有著廣闊的應用前景。基於這類材料的自旋電子器件主要包括高速、低功耗的磁電阻隨機存儲器；高空間解析度、高靈敏度的磁性傳感器、硬碟讀頭；高功率微波振蕩器、自旋光隔離器和自旋場效應管等。同時，垂直磁各向異性材料蘊含著豐富而有趣的物理現象，包括超大反常霍爾效應、長壽命超快自旋進動和零磁場室溫下向半導體高效率自旋注入等，對該類材料的研究一直是凝聚態物理領域的熱點。

理論上預言，不含貴金屬和稀土元素的L10相（四方面心結構）的鐵磁MnGa同時具有高垂直磁晶各向異性、高磁距、高磁能積、高自旋極化度、超低磁阻尼因子等一系列優異特性，是超高密度磁記錄、永磁體和多種自旋電子器件的重要備選材料，過去十餘年中受到了高度關注。

最近，趙建華研究組通過分子束外延方法，在半導體GaAs襯底上首次實現了L10相Mn1.5Ga均勻單晶薄膜的外延生長。該類薄膜在室溫環境中表現出4.3 T的超高垂直矯頑力、21.7 Merg/cc的超強磁晶各向異性，同時這類材料還具有可以與稀土永磁體相媲美的磁能積以及接近完美矩形的磁滯回線。該材料支持記錄密度超過27 Tb/inch2和熱穩定性60年以上的垂直磁記錄，支持5 nm以下小尺寸的磁存儲器和磁傳感器等納米器件。這類材料的另一個重要特點是不含稀土和貴金屬元素，成本低廉，有可能取代目前廣泛使用的稀土永磁材料。

該項工作得到了超晶格室鄭厚植院士等的合作支持，以及國家自然科學基金委和科技部的經費支持。

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