CN114892054B - 一种具有交换偏置效应的磁存储半金属材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有交换偏置效应的磁性存储半金属材料，具有这样的特征：其中，具有交换偏置效应的磁性存储半金属材料的化学式为：Mn_xGe_y，其中70＜x＜85，17.5≤y＜27，x+y＝100，x、y表示原子百分比含量。本发明的具有交换偏置效应的磁性存储半金属材料的交换偏置效应的特征值交换偏置场H_EB可通过改变Mn,Ge组成比而改变或根据用途加以调整。该材料随着外部施加冷却场的增加可以使磁滞回线逐渐向磁场负半轴移动，表现出较强的单轴磁各向异性以及磁场可调控性。本发明的具有交换偏置效应的磁性存储半金属材料Mn_xGe_y具有广泛的用途，例如磁性敏感元器件、磁存储器、微型磁控器件系统等。

Description

一种具有交换偏置效应的磁存储半金属材料及其制备方法

技术领域

本发明涉及磁存储领域，具体涉及一种具有交换偏置效应的磁存储半金属材料及制备方法。

背景技术

磁体及其磁性是最早被人类发现并且有效利用的自然规律之一，但磁体从最开始被发现，在很长的时期内，人们仅仅停留在探究其基本性质过程中，其应用并没有得到真正的突破性地进展除了一些简单功用以外。直到丹麦工程师Poulsen在1898年首次发明磁记录介质并申请第一个磁记录存储专利以后，磁性材料研究及其应用才引起了广泛关注，除了学术研究之外许多企业紧接着专攻磁性材料应用方向，其中贡献最大的是著名的IBM公司在1953年首次将磁性介质应用于磁带驱动器中，1956年首次将磁性硬盘驱动器用于计算中，当时容量只有5MB，直到1998年，IBM公司已经做出了世界上容量最高为25GB的用于商用计算机的硬盘驱动器。

与传统磁性存储器相比，具有斯格明子的非共线反铁磁体中的反常霍尔效应可以做到控制磁性单元更小，对于稳定微型磁存储器件中的磁畴结构具有不可忽视的作用，斯格明子之间的间距只有几纳米，而传统的存储器中的磁畴最小也是100纳米。近年来，非共线手性反铁磁材料扩展了反铁磁自旋电子学和自旋电荷耦合机制的研究领域，其中以Mn3X(X＝Sn、Ga、Ge、Ir、Pt等)系列材料最为突出。非共线反铁磁材料具有明显的优点，不仅可以抵抗外部磁场的干扰，而且几乎没有杂散场、具有更高的堆积密度、相较于铁磁材料具有更快的自旋动力学，、可以将数据写入速度提高3个数量级以上。因此，基于反铁磁材料的信息存储器件其快速、安全、低能耗等优点，是一种极具潜力的存储器件材料。

经过对比现有文献以及实验探索发现，采用不同的方法(光学浮区法、真空电弧熔炼、磁控溅射等)，可以得到Mn3Ge块状或者薄膜材料，但是这些方法通常步骤繁琐，而且获得的材料质量较低(使用电弧熔炼法材料的化学计量比受熔炼条件影响较大，得到的材料不均匀、表面不平整等)，对Mn3Ge材料的结构和结晶度等进行调节的灵活性也较差，不适合实际的应用。因此，快速稳定的制备高质量的Mn3Ge块状或者薄膜材料，并能灵活调节其结构和性质对于未来的磁存储器件化应用具有较高的实际意义。

在当前迅速发展的自旋电子学领域中,交换偏置效应的钉扎作用在磁记录介质、自旋阀、新型磁存储器和磁控制开关等器件应用中起着重要作用。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种具有交换偏置效应的磁存储半金属材料及制备方法。

本发明提供了一种具有交换偏置效应的磁性存储半金属材料，具有这样的特征：其中，具有交换偏置效应的磁性存储半金属材料的化学式为：Mn_xGe_y，其中70＜x＜85，17.5≤y＜27，x+y＝100，x、y表示原子百分比含量。

本发明提供了一种具有交换偏置效应的磁性存储半金属材料的制备方法，具有这样的特征，包括以下步骤：步骤1，称量锰粉末和锗粉末作为原料；步骤2，将称量好的所述原料盛放在研钵中，首先，充分研磨0.5h-1.5h并混合均匀，得到第一粉末混合物，其次，向所述第一粉末混合物中加入助熔剂并混合均匀，得到第二粉末混合物，最后，将所述第二粉末混合物装入氧化铝坩埚中，在真空环境下密封在石英管中；步骤3，将所述石英管置于烧结炉中，首先，以1℃-2℃/min的速率在8h-12h内将所述石英管温度升至800℃-1200℃，恒温32h-40h，其次，以1℃-2℃/h的速率将所述石英管缓慢降温至700℃-800℃，最后，在高温状态下用坩埚钳取出所述石英管后迅速倒置于提前设定好程序的离心机中；步骤4，所述离心机的转速在30s内升至1000转-2000转/分钟，然后稳定运行5min-15min，熔融状态的所述助熔剂通过离心被甩出分离，去除表面附着的微量助熔剂，最终得到所述具有交换偏置效应的磁性存储半金属材料。

在本发明提供的具有交换偏置效应的磁性存储半金属材料的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤1中，所述锰粉末和所述锗粉末的质量比为x:y，70＜x＜85，17.5≤y＜27，x+y＝100。

在本发明提供的具有交换偏置效应的磁性存储半金属材料的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤2中，助熔剂为镉粉末，镉粉末的用量是第一粉末混合物重量的1.5倍。

在本发明提供的具有交换偏置效应的磁性存储半金属材料的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤2中，助熔剂镉(Cd)粉末的用量既要保证原料可以完全熔化于第一粉末混合物中，又不能过量添加导致熔融状态的原料无法顺利结晶。

在本发明提供的具有交换偏置效应的磁性存储半金属材料的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤2中，将所述锰粉末和所述锗粉末原料研磨混合均匀后再添加所述助熔剂。

在本发明提供的具有交换偏置效应的磁性存储半金属材料的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤2中，氧化铝坩埚为耐高温的氧化铝坩埚。

在本发明提供的具有交换偏置效应的磁性存储半金属材料的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤4中，去除表面附着的所述微量助熔剂的方式为通过人工剥离和/或打磨。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的具有交换偏置效应的磁性存储半金属材料，因为，磁性存储半金属材料的化学式为：Mn_xGe_y，其中70＜x＜85，17.5≤y＜27，x+y＝100，x、y表示原子百分比含量。

因此，本发明提供的具有交换偏置效应的磁性存储半金属材料的交换偏置效应的特征值交换偏置场H_EB可通过改变Mn,Ge组成比而改变或根据用途加以调整。该材料随着外部施加冷却场的增加可以使磁滞回线逐渐向磁场负半轴移动，表现出较强的单轴磁各向异性以及磁场可调控性。所以，本发明提供的具有交换偏置效应的磁性存储半金属材料Mn_xGe_y具有广泛的用途，例如磁性敏感元器件、磁存储器、微型磁控器件系统等。

附图说明

图1是本发明的实施例1中Mn₇₅Ge₂₅材料在不同场冷却条件下的交换偏置效应图；

图2是本发明的实施例1～5中Mn_xGe_y材料在不同元素组成比下的交换偏置效应图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明一种具有交换偏置效应的磁存储半金属材料及制备方法作具体阐述。

实施例1

在本实施例中，提供了一种具有交换偏置效应的磁性存储半金属材料，化学式为：Mn₇₅Ge₂₅。

本实施例所涉及的具有交换偏置效应的磁性存储半金属材料的制备方法包括以下步骤：

步骤S1，分别称量纯度为99.99％的锰粉1.154g、锗粉0.436g。

步骤S2，将称好的料放在研钵中，充分研磨1h等粉料均匀后加入混合物料1.5倍左右的Cd粉末2.385g，再次混合均匀后装入耐高温的氧化铝坩埚中，在真空环境下密封在石英管中。本实施例中，首先将Mn和Ge粉末原料研磨混合均匀后再添加助熔剂。

助熔剂镉(Cd)粉末的用量既要保证原料可以完全熔化于第一粉末混合物中，又不能过量添加导致熔融状态的原料无法顺利结晶。

步骤S3，密封完成的石英管置于烧结炉，以1.5℃/min的速率在10h内将温度升至1000℃，恒温36h，接着用1.5℃/h的速率缓慢降温至750℃，然后在高温状态下用坩埚钳从炉内取出石英管后迅速将石英管倒置于提前设定好程序的离心机中。

步骤S4，离心机转速要求30s内转速能够升到1500转/分钟，并且稳定运行至少10分钟，熔融状态的助熔剂通过离心被甩出分离，最终通过人工剥离、打磨等方式去除表面附着的微量助熔剂。

将所得晶体按照[001]方向切割、打磨成2×1×0.5mm的小样品测量上述各种性质，获得各种特性曲线，相应数值如表1所示。

图1是本发明的实施例1中Mn₇₅Ge₂₅材料在不同场冷却条件下的交换偏置效应图。

如图1所示，不同场冷却条件下磁滞回线均相较于中心位置发生明显偏移，出现了明显了交换偏置效应，并且在正的冷却场时曲线向左偏移，在负的冷却场时曲线向右偏移。

实施例2

在本实施例中，提供了一种具有交换偏置效应的磁性存储半金属材料，化学式为：Mn_75.75Ge_24.25。

本实施例所涉及的具有交换偏置效应的磁性存储半金属材料的制备方法与实施例1的方法基本一致，不同之处在于增加了1％含量的Mn粉末(0.011g)，测量上述各种性质，获得各种特性曲线，相应数值如表1所示。

实施例3

在本实施例中，提供了一种具有交换偏置效应的磁性存储半金属材料，化学式为：Mn_77.25Ge_22.75。

本实施例所涉及的具有交换偏置效应的磁性存储半金属材料的制备方法与实施例1的方法基本一致，不同之处在于增加了3％含量的Mn粉末(0.034g)，测量上述各种性质，获得各种特性曲线，相应数值如表1所示。

实施例4

在本实施例中，提供了一种具有交换偏置效应的磁性存储半金属材料，化学式为：Mn_78.75Ge_21.25。

本实施例所涉及的具有交换偏置效应的磁性存储半金属材料的制备方法与实施例1的方法基本一致，不同之处在于增加了5％含量的Mn粉末(0.057g)，测量上述各种性质，获得各种特性曲线，相应数值如表1所示。

实施例5

在本实施例中，提供了一种具有交换偏置效应的磁性存储半金属材料，化学式为：Mn_80.25Ge_17.5。

本实施例所涉及的具有交换偏置效应的磁性存储半金属材料的制备方法与实施例1的方法基本一致，不同之处在于增加了7％含量的Mn粉末(0.08g)，测量上述各种性质，获得各种特性曲线，相应数值如表1所示。

表1为本发明的实施例1～5中不同成分的Mn_xGe_y材料在50000Oe冷却场和2K低温下的H_EB数值。

表1

图2是本发明的实施例1～5中Mn_xGe_y材料在不同元素组成比下的交换偏置效应图。

如图2所示，能够明显看到不同元素组成比下的交换偏置效应的显著变化，可以观察到随着Mn元素含量比例的逐渐增大，曲线与横轴方向的交点位置逐渐远离，整体交换偏置场的值也在逐渐增大，这对于后续控制元素含量进而调控内部交换偏置效应等物理现象有较高的研究价值。

实施例的作用与效果

根据本实施例所涉及的具有交换偏置效应的磁性存储半金属材料，因为，磁性存储半金属材料的化学式为：Mn_xGe_y，其中70＜x＜85，17.5≤y＜27，x+y＝100，x、y表示原子百分比含量。

因此，上述实施例提供的具有交换偏置效应的磁性存储半金属材料，其交换偏置效应的特征值交换偏置场H_EB可通过改变Mn,Ge组成比而改变或根据用途加以调整。该材料随着外部施加冷却场的增加可以使磁滞回线逐渐向磁场负半轴移动，表现出较强的单轴磁各向异性以及磁场可调控性。所以，上述实施例提供的具有交换偏置效应的磁性存储半金属材料Mn_xGe_y具有广泛的用途，例如磁性敏感元器件、磁存储器、微型磁控器件系统等。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种具有交换偏置效应的磁性存储半金属材料，其特征在于：

所述具有交换偏置效应的磁性存储半金属材料的化学式为：Mn_xGe_y，

其中70＜x＜85，17.5≤y＜27，x+y=100，

x、y表示原子百分比含量，

其中，所述具有交换偏置效应的磁性存储半金属材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，称量锰粉末和锗粉末作为原料，所述锰粉末和所述锗粉末的原子百分比为x:y，70＜x＜85，17.5≤y＜27，x+y=100；

步骤2，将称量好的所述原料盛放在研钵中，首先，充分研磨0.5 h-1.5h并混合均匀，得到第一粉末混合物，其次，向所述第一粉末混合物中加入助熔剂并混合均匀，得到第二粉末混合物，最后，将所述第二粉末混合物装入氧化铝坩埚中，在真空环境下密封在石英管中；

步骤3，将所述石英管置于烧结炉中，首先，以1℃-2℃/min的速率在8h-12 h内将所述石英管温度升至800℃-1200℃，恒温32 h-40 h，其次，以1℃-2℃/h的速率将所述石英管缓慢降温至700℃-800℃，最后，在高温状态下用坩埚钳取出所述石英管后迅速倒置于提前设定好程序的离心机中；

步骤4，所述离心机的转速在30 s内升至1000转/分钟-2000转/分钟，然后稳定运行5min-15min，熔融状态的所述助熔剂通过离心被甩出分离，去除表面附着的微量助熔剂，最终得到所述具有交换偏置效应的磁性存储半金属材料，

步骤2中，所述助熔剂为镉粉末，

所述镉粉末的用量是所述第一粉末混合物重量的1.5倍，镉粉末的用量既要保证原料可以完全熔化于所述第一粉末混合物中，又不能过量添加导致熔融状态的原料无法顺利结晶，

所述具有交换偏置效应的磁性存储半金属材料的交换偏置效应通过改变Mn、Ge组成比而改变，随着Mn元素含量比例的逐渐增大，整体交换偏置场的值也在逐渐增大。

2.根据权利要求1所述的具有交换偏置效应的磁性存储半金属材料的制备方法，其特征在于：

其中，步骤2中，将所述锰粉末和所述锗粉末原料研磨混合均匀后再添加所述助熔剂。

3.根据权利要求1所述的具有交换偏置效应的磁性存储半金属材料的制备方法，其特征在于：

其中，步骤2中，所述氧化铝坩埚为耐高温的氧化铝坩埚。

4.根据权利要求1所述的具有交换偏置效应的磁性存储半金属材料的制备方法，其特征在于：

其中，步骤4中，去除表面附着的所述微量助熔剂的方式为通过人工剥离和/或打磨。