結構應力調控稀土鐵石榴石的磁異向性
113年10月11日
【本篇報導由物理學系 駱芳鈺副教授研究團隊提供】 現代生活有大量的資訊需要傳遞和記錄，資料儲存容量的需求也大增，開發具垂直磁異向性的高資料儲存密度的磁性薄膜材料就是一件重要的工作。研究團隊自磁光效應強的磁性絕緣體中挑選五種稀土鐵石榴石材料在釔鋁石榴石基板上製作成薄膜，利用基板和薄膜之間的材料結構應力讓稀土元素為釤、鈥、鉺、銩等4種稀土鐵石榴石薄膜顯現出垂直磁異向性，並呈現這些薄膜在近紫外光到藍綠光波段的磁光效應強度，作為磁性絕緣體開發自旋電子元件的基礎。 石榴石結構是一種複雜結構的絕緣氧化物材料，由兩種三價的金屬原子和氧原子以3:5:12的比例構成，其中由稀土元素和鐵構成的稀土鐵石榴石（REIG）因為具有磁性和很強的磁光效應，在CD-R尚未普及的1990年代，曾經是備受關注的磁光碟材料。近年來，則因為科學家發現純自旋流能在絕緣的釔鐵石榴石中有效傳遞，所以讓磁性絕緣體和稀土鐵石榴石等材料受到磁儲存媒體和自旋電子元件研究的關注。 在薄膜結構中，大部分磁性材料的磁化方向會平行於薄膜平面，稱為水平磁異向性。相較於磁化方向垂直薄膜平面（垂直磁異向性）的磁性材料來說，在設計和製作磁性記憶體，水平磁異向性所構成的記憶單元需要較大的體積，因此要讓磁儲存媒體達到高密度，具垂直磁異向性磁性材料是首選。研究上，開發新的垂直磁異向性材料和將材料原有的水平磁異向性轉為垂直磁異向性就是兩大重點。 在這項的研究工作中，實驗團隊在釔鋁石榴石（YAG）基板上製備了5種具有良好結晶特性的稀土鐵石榴石薄膜（所使用的稀土元素包含釤、鈥、釔、鉺和銩，元素符號依序為Sm、Ho、Y、Er和Tm），並且透過在水平和垂直方向的磁場下檢測其磁特性，發現釔鐵石榴石（YIG）薄膜僅在水平磁場下表現出磁滯特性，因此仍然維持水平磁異向性的特質。其他4種稀土鐵石榴石薄膜則在水平和垂直磁場下皆表現出磁滯特性，顯示出垂直磁異向性。對照這5種薄膜的晶體結構分析，研究團隊觀察到直徑較小的稀土元素所構成之稀土鐵石榴石薄膜具有較小的晶體尺寸，因此和釔鋁石榴石基板之間的結構應力也較大，連帶地顯現出較強的垂直磁異向性。 研究團隊也觀察到所有稀土鐵石榴石薄膜在近紫外光到藍綠光的波段有很強的磁光效應，作為用光來操控磁性或是引發自旋流，以及磁光記錄應用等元件的研究和設計參考。 這項研究證實了理論預測可以透過結構應力將磁性絕緣體的水平磁異向性轉為垂直異向性，同時指出應力強度和垂直磁異向性強度的正向關聯，也提供磁光效應的響應強度和光譜範圍資訊，為後續磁異向性的自旋電子學研究提供基礎。 圖一：垂直薄膜表面方向的(a)晶面間距，(b)晶體尺寸和(c)薄膜承受的壓縮應力與稀土元素離子半徑的關係圖。其中(a)和(b)圖的虛線為視覺輔助線。 圖二：稀土鐵石榴石薄膜在磁場(a)平行表面和(b)垂直表面時的磁特性曲線。所有薄膜在磁場平行表面時都顯示出磁滯特性，而釔鐵石榴石(YIG)薄膜在磁場垂直表面時不具磁滯特性。 原文出處：Liu, S. Y., Lin, Z. Y., Chang, Y. R., Liao, Y. T., Wu, P. H., Huang, S. Y., Lin, W. C., & Lo, F. Y. (2022). Strain-induced magnetic anisotropy of REIG thin films grown on YAG(111) substrates by pulsed laser deposition. Journal of Alloys and Compounds, 922, Article 166217. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.166217