Timmitav toatemperatuuril olev ferromagneet, kasutades raudoksiidi ja grafeenoksiidi nanokomposiiti | teaduslikud aruanded

Timmitav toatemperatuuril olev ferromagneet, kasutades raudoksiidi ja grafeenoksiidi nanokomposiiti | teaduslikud aruanded

Anonim

Õppeained

  • Ferromagnetizmus
  • Teabe säilitamine
  • Magnetilised omadused ja materjalid

Abstraktne

Magnetmaterjalid on leidnud laialdast rakendust, alates elektroonikast ja mäludest kuni meditsiinini. Nende edusammude jaoks on oluline magnetilise korra juhtimine. Praeguseks on enamikul toatemperatuuri rakendustel kindel magnetmoment, mille orientatsiooni manipuleeritakse funktsionaalsuse tagamiseks. Siin demonstreerime raudoksiidi ja grafeenoksiidi nanokomposiitidel põhinevat seadet, mis toimib toatemperatuuril häälestatava ferromagnetiga. Lisaks sellele, et selle üleminekutemperatuuri saab reguleerida laias temperatuurivahemikus toatemperatuuril, saab magnetiseerimist ka kahe hõlpsasti juurdepääsetava nupuga (magnetväli ja elektrivool) lähtestamisprotsessi abil häälestada nullist väärtusele 0, 011 A m 2 / kg., mille järel süsteem säilitab oma magnetilised omadused poolpüsivalt kuni järgmise initsialiseerimisprotsessini. Me konstrueerime teoreetilise mudeli, mis illustreerib, et see häälestatavus tuleneb nanokomposiidi sees spinni tasakaalustamata elektronide vahendatud kaudsest vahetus interaktsioonist.

Sissejuhatus

Ferromagneti omaduste manipuleerimine muul viisil kui magnetvälja abil on tehnoloogiale tohutut mõju avaldanud. Selle silmapaistvaimaks näiteks on Slonczewski 1 ja Berger 2 ennustatud pöörlemismomendi mehhanism, milles spin-polariseeritud elektrivool kannab ferromagneti suhtes nurkkiirust ja muudab selle orientatsiooni. Sellel mehhanismil (ST-MRAM) põhinevad magnetmälud on juba müügil, need on lendumatud, parema energiatõhususega ja väiksematele seadmetele hõlpsamini skaleeritavad kui enamus tavalisi mälu 3 . Veel üheks näiteks on magnetoelektrilised (või multiferroidsed) materjalid 4, 5, 6, kus magnetiseerimise ulatust saab kontrollida elektrivälja abil. Toatemperatuuril töötamiseks valmistatakse magnetoelektrilisi materjale insener-heterostruktuuride abil, mis ühendavad ferroelektrilisi ja ferromagnetilisi materjale, mis on liideses pingega ühendatud. Selliseid materjale saab kasutada ka madala latentsusajaga mälus. Veel üks paljutõotav mehhanism ferromagnetiliste omaduste kontrollimiseks hõlmab õhukeste ferromagnetiliste kilede üleminekutemperatuuri kontrollimist elektrivälja abil 7, 8, 9 - see kasutab ära magnetväljade mõju järgi häälestatud magnetiliste omaduste tundlikkust elektroonilise kanduri tiheduse suhtes.

Selles töös käsitleme nanokomposiitmaterjali, mis võimaldab selle magnetilisi omadusi uuel viisil kontrollida. Materjal (üksikasjalikumalt käsitletud allpool) on grafeenoksiidi ja raudoksiidi nanoosakeste nanokomposiit. Näitame, et magnetvälja ja spin-polariseeritud elektrivooluga seotud initsialiseerimisprotseduuri abil saame kontrollitavalt seada ferromagneti magnetmomendi ja siirdetemperatuuri, mis jääb siis stabiilseks ka pärast voolu- ja magnetvälja väljalülitamist. Toatemperatuuril töötades annab see näite süsteemist, kus magnetismi saab ise sisse või välja lülitada sõltuvalt voolust ja magnetväljadest, mida rakendatakse initsialiseerimisetapi ajal. Mehhanism tugineb initsialiseerimisel tekkinud elektronide spinni tasakaalustamatusele, mis tekitab raua nanoosakeste vahel elektronide vahendatud ferromagnetilise sideme. Alustades lihtsustatud mikroskoopilisest Hamiltoni inimesest, näitame teoreetiliselt, et haakeseadis on tõepoolest feromagnetiline, ja pakume Monte Carlo simulatsioone üleminekutemperatuuri sõltuvuseks spinni tasakaalustamatusest, mis on kooskõlas eksperimentaalsete vaatlustega. See võime magnetiseerimist elektriliselt sisse ja välja lülitada võib võimaldada rakendusi mittelenduvates mäludes uudsete töörežiimidega ja hõlpsasti töödeldavate materjalide abil, samuti hübriidseadmeid, mis integreerivad häälestatavaid elektrilisi ja magnetilisi komponente.

Seade koosneb osaliselt redutseeritud (vahemikus 18% kuni 20%) ja väga defektse grafeenoksiidi 10 nanokomposiidist, mis on segatud raudoksiidi (FeO / Fe 3 O 4 kompleksi) südamiku kesta struktuuriga nanoosakestega, mille külge kinnitatakse kaks kinnitatud ferromagnetilist koobaltit elektroodid, mille konfiguratsiooni juhib väline magnetväli (vt joonis 1). Nanoosakesed asuvad ferrimagnetilises alfafaasis ja kannavad magnetmomente umbes 3–5 μB (ja tüüpilise läbimõõduga 6, 5–9, 5 nm) 11 . Toatemperatuuril on nanoosakesed oma väikese mõõtme tõttu superparamagneetilises olekus, nende magnetiline moment libiseb termiliselt nende kahe kerge telje suuna vahel. Grafeenoksiid sisaldab suures kontsentratsioonis nanovahendeid, vakantseid ja adatomeid, mis kannavad magnetilisi momente, mis on grafeenoksiidilehtedes 10 ilma raudoksiidi nanoosakesteta täheldatud paramagnetilise vastuse põhjuseks. Grafeenoksiid on osaliselt redutseeritud ja seega võib süsinikuaatomeid, mille pz-orbitaalid pole passiivunud, pidada saitideks, kus elektronid saavad lokaliseeruda. Nanokomposiidi kaudu liikuvad hüppavad elektronid võivad nende saitide vahel liikuda muutuva ulatusega hüppe kaudu - vt lisateavet.

Image

Hall kast tähistab nanokomposiiti, sinised sfäärid tähistavad raudoksiidi nanoosakesi ja pruunid ribad esindavad väga puudulikke grafeenoksiidi kihte. Nanokomposiidi õhuke kile ladestub ränidioksiidi põhimikule (helesinine). Nanokomposiidi peale asetatakse kaks koobalti ferromagnetilist elektroodi (kollane). Null-rakendatud magnetvälja korral kinnitatakse need PtMn-kihtidega (punasega) paralleelses konfiguratsioonis.

Täissuuruses pilt

Segu on tugevalt korrastamata: leidub erineva suurusega ja seega erinevate magnetmomentidega nanoosakesi, mille asukoht ja telje kerge orientatsioon on juhuslikud; osaliselt redutseeritud grafeenoksiidi helbed on samuti juhuslikult paigutatud ja orienteeritud; seega on hüppelektroni seisukohast kohad, mida see võib hõivata, juhuslikult paigutatud, millel on juhuslikud kohapealsed energiad. Kasutades välist magnetvälja kahe koobalt-elektroodi magnetilise orientatsiooni juhtimiseks, võib nanokomposiidi hüppeliste elektronide populatsioonis tekkida spin-tasakaalustamatus, kui toatemperatuuril voolab seadme kohal elektrivool (kogu tekstis viitame sellele kui lähtestamisprotsess ). Lähtelektrood pöörleb polariseerib nanokomposiiti sisenevat voolu, samal ajal kui äravooluelektrood toimib filtrina, mis võimaldab ühe spinniorientatsiooniga elektronidel nanokomposiidi eelistatult välja lekitada. Kui elektroodid on anti-paralleelses (paralleelses) konfiguratsioonis, tekitavad nad (hävitavad) süsteemi hüppeliste elektronide populatsioonis pöörlemistasakaalu. Antiferromagnetiline PtMn-kiht seob koobaltielektroodide magnetilise orientatsiooni vahetuse eelpinge kaudu, nii et nende magnetiseerimine toimub ainult piisavalt tugeva magnetvälja abil.

Kui seadme kaudu ei voolu elektrivool, on nanokomposiit kõigi katsetatud temperatuuride jaoks paramagnetiline. See näitab, et nanokomposiidi magnetmomendid (nii raudoksiidi nanoosakestest kui ka defektsest grafeenoksiidist) on põhimõtteliselt sõltumatud. Nanokomposiit jääb paramagneetiliseks, kui sellest läbib spin-polariseerimata elektrivool. Kuid kasutades ferromagnetilisi elektroode, et sisestada spin-polariseeritud voolu nanokomposiiti, saab süsteemi muuta ferromagnetiliseks üleminekuks sõltuvalt elektroodide konkreetsest magnetilisest konfiguratsioonist. Praktiliselt huvitab asjaolu, et seda konfiguratsiooni saab juhtida välise magnetvälja abil. Nagu on näidatud joonisel 2, lähtestatakse kahe ligipääsetava nupuga: potentsiaalne eelpinge, mis juhib elektrivoolu, mis sisestatakse nanokompositi kahe ferromagnetilise elektroodi kaudu; ja väline magnetväli (suurusjärguga kümneid mT), mis juhib elektroodide magnetilist konfiguratsiooni. Need kaks nuppu määravad seadme magnetilised omadused, mis püsivad stabiilsena seni, kuni oleme seda mõõtnud (mitu nädalat) pärast elektrivoolu ja magnetvälja väljalülitamist.

Image

a ) Erineva B-ga algväärtustatud proovide magneerimine temperatuuri funktsioonina Ülemineku temperatuuri saab muuta vahemikus 276 K ( Bt = 0, 02 T) kuni 317 K ( Bt = 0, 04 T). ( b ) Mitme erineva B- väljundi mahtuvuse mõõtmine, mis vastab elektroodide erinevale konfiguratsioonile (üksikasju vt tekstist ja joonist 1).

Täissuuruses pilt

Me väidame allpool, et nanokomposiiti sisestatud tsentrifuugiga polariseeritud vool tekitab nanokomposiidi hüppeliste elektronide populatsioonis spinni tasakaalustamatuse. Need spin-polariseeritud hüppelektronid ühendavad tõhusalt raudoksiidi nanoosakeste (ja grafeenoksiidi) magnetmomente kaudse vahetusinteraktsiooni kaudu, mis tuletab meelde RKKY interaktsiooni 12, 13, 14. Selle interaktsiooni tugevus sõltub hüppeliste elektronide populatsiooni spinni tasakaalustamatuse astmest: suurem spinni tasakaalustamatus põhjustab tugevamat interaktsiooni. Tugevalt korrastamata nanokomposiit tähendab, et selle interaktsiooni häirekeskmine temperatuur on plahvatuslikult summutatud ja efektiivselt ferromagnetiline. Seega käitub see tõhusalt Heisenbergi momentide ebakorrektse massiivina, mis on piiratud osutama ümber nende juhuslikult orienteeritud lihtsa telje ja tekitades magnetilisi klastrid, mis sõltuvalt initsialiseerimisprotsessist võivad viia magnetilise järjestuse kauguseni. Järgnevas näeme samm-sammult tõendusmaterjali ja põhjendused, mis selle pildi juurde viivad.

Esmalt arutame seadme spinnist sõltuvaid elektroonilise transpordi omadusi. Seadmele süstiti ferromagnetiliste elektroodide kaudu elektrivool, samal ajal kui süsteemile rakendati elektroodide konfiguratsiooni juhtimiseks välist magnetvälja. Oleme mõõtnud seadme elektritakistust, varieerides samal ajal järk-järgult magnetvälja tugevust. Joonisel 3 (a) on esitatud sellise mõõtmise tulemus.

Image

( a ) Seadme elektritakistus B- väljundi suhtes b) Ferromagnetiliste elektroodide vastus välisele magnetväljale (alt) ja takistuste andmete puhumine samas väljavahemikus (ülemine). Mõõtmised näitavad kaht selget takistuse hüpet, üks vastab hiiglaslikule magnetoresistentsusele ja teine ​​ferromagnetilise ülemineku tõttu.

Täissuuruses pilt

Alustades paralleelses konfiguratsioonis olevatest elektroodidest ( B ext = –0, 6 T), suurendame kõigepealt magnetvälja (edasiliikumine, must kõver). Kell

Image

T on ühe elektroodi lülitamisest tingitud takistuse suurenemine, mille tulemuseks on antiparalleelne konfiguratsioon [vt joonis 3 (b) alumist paneeli]. See on hästi tuntud hiiglane magnetoresistentsuse efekt (GMR) 15, 16, välja arvatud see, et meie kõrge takistuse väärtused viitavad sellele, et oleme pigem muutuva vahemiku hüpperežiimis (VRH), mitte metallilises 17, 18 . Huvitavam on takistuse teine ​​(ja suurem) hüpe, mis toimub siis, kui elektroodi konfiguratsioon ei muutu (noole 2 ja 3 vahel joonisel 3). See teine ​​hüpe on seotud ferromagnetilise üleminekuga, mis on selle töö peamine tulemus. B eksti edasist suurendamist jälgime siis eeldatava takistuse langust (noole 3 ja 4 vahel), kui teine ​​elektrood muudab orientatsiooni. See vastab nii tavapärasele GMR-efektile kui ka ferromagnetilise oleku jaoks vajaliku spinni tasakaalustamatuse kaotamisele, mis viib nanokomposiidi tagasi paramagnetilisse olekusse. Täpselt sama järjestust täheldatakse tagurpidi pühkimisel (punane kõver, tähisega 5–8), kus piirkond 7 vastab B-väärtuse vahemikule, mille jaoks leiame nanokomposiidist ferromagnetilisuse.

Selle efekti päritolu uurimiseks oleme katsetanud seadme magnetilisi omadusi pärast selle initsialiseerimiseks läbi elektrivoolu erinevatel välistel magnetväljadel. Oleme kontrollinud, et alati, kui magnetväli on selline, et proovi takistus on väike [st kui see on kas B ext <0, 02 T või B ext > 0, 05 T - vt joonist 3 (a)], on nanokomposiit paramagnetiline. Ent kui initsialiseerimisprotsess viiakse läbi välise magnetväljaga, mille proovivõime on kõrge (st B on ∈ [0, 02, 0, 05] T), leitakse, et nanokomposiit on ferromagnetilises olekus. See kinnitab, et seadme elektritakistuse järsud hüpped on seotud nanokomposiidis toimuva ferromagnetilise üleminekuga. Pange tähele, et elektroodide orientatsioon on selle ülemineku jaoks vajalik, kuna see toimub ainult siis, kui need on joondatud. Nagu varem mainitud, tekib hüppeliste elektronide populatsioonis tugev spinni tasakaalustamatus ainult anti-paralleelsete elektroodide konfiguratsiooni jaoks.

Mahutavus on nanokomposiidis tekkiva spinni tasakaalustamatuse otsene mõõt. Kui seade on paralleelses konfiguratsioonis, suureneb mõõdetud mahtuvus magnetvälja suurenedes [vt joonis 2 (b)]. Maksimaalne mahtuvus tõuseb 2 nF-lt, kui B-väärtus on 0, 02 T, kuni 9 nF, kui rakendatud väli on B- väljund ≈ 0, 04 T. Edasine B- väljundi suurendamine ei toonud tippmahtuvuse väärtuse märgatavat muutust. Vastupidiselt, kui seade on paralleelse konfiguratsiooniga, on mõõdetud mahtuvus alati ühe või kahe suurusjärgu võrra väiksem kui anti-paralleelsete elektroodide konfiguratsiooni korral mõõdetud mahtuvus.

Mahtuvuse ja magnetiseeritud mõõtmiste võrdlus näitab, et nanokomposiit muutub toatemperatuuril ferromagnetiliseks, kui mahtuvus tõuseb üle kriitilise väärtuse 6 nF. Mahtuvuse järsk langus, kui äravooluelektrood on pööratud asendisse B ext ≈ 0, 05 T, kinnitab intuitiivset pilti, et kinni jäänud spin-polariseeritud laengud vabanevad, kui elektroodid muutuvad paralleelseks. Veelgi enam, asjaolu, et süsteem läheb tagasi parameetrilisse olekusse, kinnitab, et nanokompositi magnetilist olekut kontrollib spinni tasakaalustamatus.

Lõpuks mõõdeti erinevate magnetiliste väljadega initsialiseeritud proovide magnetilisuse sõltuvust temperatuurist - vt joonis 2 (a). Üleminekutemperatuuri ( Tb ) mõjutas tugevalt nanokomposiidi spin-tasakaalustamatus, mida näitab proovi mahtuvus: kui mahtuvus on 9 nF, Tb ≈ 317 K; T b väheneb 309 K ja 276 K, kui mahtuvus väheneb vastavalt 6 nF ja 2 nF; kui mahtuvus on

Image

, ei täheldata ferromagnetilist järjestamist isegi siis, kui temperatuur on alandatud 10 K-ni. Joonis 2 näitab selgelt, et kaks lähtestamise ajal kasutatavat välist nuppu ( B ext ja V ext ) kontrollivad spin-tasakaalustamatust hüppeliste elektronide populatsioonis. nanokomposiit ja süsteemi magnetilised omadused.

Selle ferromagnetilise ülemineku mõistmiseks hindame kõigepealt raudoksiidi nanoosakeste vahelist otsest magnetostaatilist koostoimet. Leiame, et see on mitu suurusjärku väiksem kui k B T ruum, mis tähendab, et selle süsteemi magnetilisuse põhjustajaks võib välistada. See selgitab, miks süsteem jääb alati paramagneetiliseks, kui voolu sellest läbi ei lasta. Lisaks on ferromagnetilisuse päritolu selgitamiseks vajalikud lokaliseeritud elektronseisundid, kuna ilma osaliselt redutseeritud grafeenoksiidita katsetes ei täheldata ferromagnetilisust, nt kui see asendatakse kõrge juhtivusega grafeeniga või tugevalt redutseeritud grafeenoksiidiga.

Järgmine loogiline samm on hüppe-elektronide ja raudoksiidi nanoosakeste vahelise Zeemani-laadse sideme lisamine. See loob efektiivse interaktsiooni spin-polariseeritud hüppe elektronide meres vahendatavate nanoosakeste vahel [ilma spinni tasakaalustamatuseta, see tuletab meelde Rudermani-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) interaktsiooni 12, 13, 14 ]. Põhimõtteliselt hoiab elektron ühe nanoosakese läheduses teavet selle orientatsiooni kohta, mida teised nanoosakesed siis näevad. Selle sidumise ulatuse prognoosimine osutub keerukaks süsteemi mitmete parameetrite ebakindluse tõttu. Materiaalsete parameetrite mõistlikud hinnangud (vt lisateavet) viitavad sellele, et nende vahendatud interaktsioonide energiaskaala võib olla suurusjärgus k B T ruumi . Seetõttu on see vaadeldud nähtuste kõige usutavam seletus. Järgnevalt võtame J 0 hüppeelektroni ja nanoosakese vahelise seose skaalaks. See on sisend teoreetilistesse arvutustesse.

Sellist mehhanismi silmas pidades saame kirjutada efektiivse mikroskoopilise Hamiltoni kuju, mis juhib spinni ja lokaliseeritud raudoksiidi magnetiliste momentidega elektronide hüppelise süsteemi. Me kasutame mudeli jaoks Isingi hetki ega usu, et erineva valiku korral oleks käitumine kvalitatiivselt erinev - vt lisateavet. Hamiltonlane loeb

Image

kus

Image

(

Image

) tähistab osa, mis reguleerib vabu elektrone (Ising momente), H e - e ( H M - M ) tähistab seda osa, mis sisaldab elektronide ja elektronide vastasmõjusid (dipool-dipool interaktsioonid), samas kui H e - M tähistab seda osa, mis sisaldab Zeemani interaktsioon hüppeliste elektronide ja Isingi momentide vahel. Järgnevas osas jätame terminid kõrvale

Image

ja

Image

, pole järgmiste arvutuste jaoks asjakohane ja lihtsuse huvides võtke arvesse terminit H e - e . Järgides RKKY 12, 13, 14 interaktsiooni vaimu, arvestades H- termineid, mis libistavad hüppavate elektronide spinni, ja rakendades arvutamisel mitmeid lihtsustusi (vt lisateavet), leitakse, et hüppeliste elektronide vabadusastmete integreerimine annab Isingi momentide jaoks järgmise efektiivse Hamiltoni kuju (vt lisateavet)

Image

kus M α tähistab α-ga indekseeritud magnetilist momenti (väljendatuna Bohri magnetonites, M α = μ B m α λ α , kus λ α = ± 1), r αβ tähistab kahe magnetmomendi vahelist kaugust, mida on indekseeritud α ja β , loeb konstant K väärtuseks K ≡ J 0 μ 0 μ B A , samas kui n σ tähistab hüppeliste elektronide keskmist tihedust spinniga σ = +, -. Esimene termin toimib seepärast igal Isingi momendil efektiivse magnetväljana, mille loob pöörleva tasakaalustamata hüppe elektronide pilv. Teine termin on lokaalne kaudne vahetusinteraktsiooni termin Ising erinevate momentide vahel, kusjuures RKKY-laadne vahetusparameeter J ( r , n +, n - ) on antud

Image

kus

Image

ja

Image

on andnud

Image

Ülaltoodud võrrandis funktsioonid

Image

,

Image

,

Image

ja

Image

loe

Image

Image

Image

Image

kus oleme määratlenud

Image

. Nendes avaldistes tähistab μ 0 ( μ B ) vaakumi lubatavust (Bohri magneton), m * vaba hüppeliselt liikuva elektroni gaasi tegeliku massi kohta, A ( B ) tähistab aga spinni olekuga elektroni amplituudi selle spinn on nanoosakestega suheldes muutumatu (pööratud).

Joonisel 2 (b) on toodud proovi keskmised elektroonilised tihedused, n ±, leides, et need on tavaliselt väikesed, nii et esimese naabri interaktsioonid on tavaliselt ferromagnetilised - vt lisateavet. Eeldades et

Image

siis järeldame, et J ( r , n +, n - ) on minimaalne, kui spinni tasakaalustamatus on null, kasvades spinni tasakaalustamatuse suurenemisega - vt joonis 4 (a). See on vastupidiselt tüüpilisele RKKY tulemusele, kus elektronide spin-flip-e ei arvestata. Meie analüütiline tulemus selgitab, kuidas ferromagnetiline sidumine suureneb koos spin-tasakaalustamatusega, selgitades eksperimentaalset tähelepanekut, et magnetiseerumine kaob ilma spin-tasakaalustamatuseta ja suureneb suurema spin-tasakaalutuse korral.

Image

a ) Vahetusparameetri võnkuva osa joonis [vt võrrandit (3)] mitme nanoosakeste vahelise vahemaa jaoks. Konstant C, jagades J osc, on võrrandi (3) juhtiv tegur. Joonestame nii juhtumi, kus elektronide spin-flipid pole lubatud (kriipsjoontega kõverad), kui ka juhtumi, kus need on lubatud (täiskõverad). b ) Kaudse vahetusühenduse erineva tugevusega temperatuuri magneerimine. c ) Eksperimentaalse ja teoreetilise blokeerimistemperatuuri võrdlus keerutuse tasakaalustamatuse tugevuse osas (kasutatud teoreetilised sobitusparameetrid olid J 0 = 2, 2 × 10 6 ja ξ = 5 nm). Paneelide (b) ja (c) Monte Carlo tulemused saadi simulatsioonide jaoks (79507 Ising-momendiga), alustades kõrgelt järjestatud olekust (vt täiendavat teavet), kasutades Metropolise algoritmi. Nad uurivad faasiruumi piirkonda globaalse energia miinimumi läheduses ja näitavad, et süsteem suudab kuvada pikamaa järjestust, kui klastrid on algselt joondatud välise magnetvälja abil.

Täissuuruses pilt

Tugev häire surub eksponentsiaalselt RKKY interaktsiooni tüüpilise väärtuse 19, 20, 21 kui J ( r , n +, n - ) → J ( r , n +, n - ) e - r / ξ , kus metalljuhtumi korral ξ on elektroni keskmine vaba tee. Kuna meie süsteem on tugevalt häiritud, ξ peaks olema väike ja eksponentsiaalne summutus tapab sisuliselt kõik pikema ulatusega interaktsioonid, nii et meie süsteemis on ainsad olulised interaktsioonid need, mis on võrreldavad esimese naabri omadega. Seetõttu on kõik olulised interaktsioonid ferromagnetilised. Katsega võrdlemiseks võtame ξ sobivaks parameetriks, mis on võrreldav nanoosakeste vahega.

Katsetulemused viitavad kindlalt sellele, et võrrandi (2) esimese järgu termin pole teise järguga võrreldes ebaoluline (vt lisateavet). See sobib ideaalselt teoreetilise mudeliga, hoolimata asjaolust, et efektiivne Hamiltoni - vt võrrandit (2) - tuleneb elektronide nanoosakeste interaktsiooni jada laienemisest. Hamiltoni esimese ja teise järgu efektiivsete tingimuste suhteline suurus määratakse pigem väliste parameetrite ( n + - n -, ξ , J 0, m *, A ja B ), mitte laienemisparameetri abil. Joonisel 4 toodud tulemuste saamiseks kasutatud parameetrid annavad eksperimentaalsetest tulemustest hinnangulisel tsentrifuugi tasakaalustamatuse vahemikul teise järgu termini, mis on vähemalt ühe suurusjärgu võrra suurem kui esimese järgu. Sellest lähtuvalt arvestati Monte Carlo simulatsioonide teostamisel ainult teise järgu terminiga.

Tüüpiliste values ​​väärtuste korral põhjustab plahvatuslikult summutatud sidumine süsteemi järjestamise magnetilistesse klastritesse, mis suhtlevad omavahel nõrgalt. Temperatuuri alanemisel hakkavad igas klastris olevad magnetmomendid joondama, erinevad klastrid teevad seda veidi erinevatel temperatuuridel. Pealegi, kuna klastrid interakteeruvad nõrgalt, on üksikutel klastritel üldiselt erinevad magnetiseerimissuunad. Selle tagajärjel ei tohiks süsteem üldjuhul esineda pikamaa-järjekorras, kui temperatuur on langenud allapoole blokeerimistemperatuuri T b, ja seda kinnitavad ka meie Monte Carlo simulatsioonid - vt lisateavet. Samuti, kui me püsime vahetusinteraktsiooni sisselülitamisel fikseeritud temperatuuril (tekitades süsteemis spinni tasakaalustamatuse), ei tohiks süsteemis jälgida kaugemaa järjekorda. Kui aga alustame järjestatud olekust, mis on loodud näiteks spinni tasakaalustamatuse tekitamisel välise magnetvälja rakendamisega (nagu seda tehakse katses), tuleks järgida pikamaa järjekorda, kuna peaaegu sõltumatud klastrid olid algusest peale joondatud välise magnetväljaga. Seda täheldatakse meie süsteemis: kui seadmele ei rakendata magnetvälja, kui vool sellest üle voolab, siis magneerimist ei täheldata (üksikasjaliku arutelu leiate lisateave). Joonisel 4 näeme, et Metropolis Monte Carlo simulatsioonid näitavad alates korraldatud olekust temperatuuri muutumisel üleminekut tellitud ja korrastamata oleku vahel. Selle blokeerimistemperatuur sõltub kaudse vahetuse tugevusest, nagu näitasime, sõltub hüppeliste elektronide spin-tasakaalustamatusest.

Kokkuvõtteks oleme demonstreerinud häälestatavat magneti, kus raudoksiidi ja grafeenoksiidi nanokomposiit läbib paramagneetilise ülemineku ferromagnetilisele alale, kui spin-polariseeritud elektronide kriitiline kontsentratsioon on nanokomposiidis kinni, nii et need võivad tekitada piisavalt tugeva kaudse vahetusühenduse naabruses olevad raud nanoosakesed. Seda ferromagnetilist olekut saab juhtida, häälestades hüppeliste elektronide spin-tasakaalustamatuse läbi välise magnetvälja ja potentsiaalse kallutatuse, mis juhib voolu kogu seadme vahel selle initsialiseerimisprotsessi ajal. Pealegi on see olek pöörduv, kui kõrvaldada spinni tasakaalustamatus, sellisel juhul läheb nanokomposiit tagasi paramagnetilisse olekusse. Sellised kergesti töödeldavate komponentide ja väga häälestatavate magnetiliste / transpordiomadustega kunstlikud komposiitmaterjalid avavad uksed toatemperatuuril töötavate ülitäpse andmesalvestuse ja spintrooniliste seadmete ehitamiseks.

Meetodid

Grafeenoksiid sünteesiti Hummersi meetodi alusel. Grafiithelbeid (3, 0 g) segati jäävannis. Ümarapõhjalisse kolbi lisati naatriumnitraat (3, 0 g) ja kontsentreeritud väävelhape (135 ml). Seejärel lisati aeglaselt 2 tunni jooksul kaaliumpermanganaat (18 g). Kui segu on homogeenne, viidi lahus 35 ° C õlivanni ja segati veel 1 tund. Moodustus paks pasta ja lisati deioniseeritud (DI) vesi (240 ml). Segu segati 1 tund, temperatuuri tõsteti 90 ° C-ni. Seejärel lisati deioniseeritud vesi (600 ml), seejärel aeglaselt 30% vesinikperoksiidi (18 ml) lahus. Suspensiooni värvus muutus pruunist kollaseks. Suspensioon filtriti ja pesti 3% HCl lahusega. Seejärel seda tsentrifuugiti ja dekanteeriti korduvalt, kuni supernatandi pH on 7. Saadud grafeenoksiid dispergeeriti 750 ml DI vees kontsentratsioonis 0, 6 mg / ml -1 . Grafeenoksiidi lahusesse (0, 1 mol / l) lisati 3 g NaOH plaati. Segu keedeti püstjahutiga püstjahutis pidevalt segades 1 tund. Seejärel eraldati põhiliselt töödeldud GO tsentrifuugimisega kiirusel 13000 p / min. Seejärel seda tsentrifuugiti ja dekanteeriti seni, kuni supernatandi pH oli 7. Seejärel lisati lahusele raudoksiidi nanoosakesed ja dispergeeriti ultraheli abil 30 sekundit, enne kui lahus tsentrifuugiti ränidioksiidi substraadil kiirusega kiirusel 8000 p / min 30 sekundit. Kordasime seda tsentrifuugkatmisprotsessi kolm korda, enne kui nanokomposiiti termiliselt redutseeriti, rakendades temperatuuril 340 K 15 minutit. Seejärel sadestati nanokomposiidile 10 nm paksused ja 200 nm vahelised koobaltielektroodid. Seejärel sadestati ühele koobaltielektroodidele 20 nm PtMn ja jahutati aeglaselt, kui rakendati välist magnetvälja 0, 1 T. Seda korratakse teise koobalt-elektroodi puhul, kuid välist magnetvälja rakendatakse vastupidises suunas. IV mõõtmised tehti pärast kahe sondide ühendamist kahele elektroodile, kasutades KEITHLEY pooljuhtide iseloomustussüsteemi, mille pinge varieerus vahemikus 0 kuni 5 V. Magnetväli tekitamiseks kasutati DEXTERi reguleeritavat pooluselektromagneti (mudel # 1607037) ja see varieerus 0 T kuni 0, 6 T iga IV mõõtmise kohta. VRH-i andmed, mis saadakse kvantprojekteerimise füüsikaliste omaduste mõõtmissüsteemi (PPMS) mõõtmistel, kus elektritakistust mõõdetakse fikseeritud magnetvälja tugevuse korral ja temperatuuri vähendatakse järk-järgult 5 K intervalliga vahemikus 298 K kuni 210 K püsiva rakendatud pinge korral. 0, 5 V. PPMS-i kasutatakse ka elektritakistuse muutuse mõõtmiseks fikseeritud temperatuuril, kuid varieeruva magnetvälja tugevuse korral vahemikus 0 kuni 0, 06 T. Seadme magnetiline iseloomustamine toimub ülijuhtiva kvanthäirete seadme (SQUID) magnetomeetriga.

Elektrooniliste vabadusastmete integreerimisest tuleneva 3D-korrastamata Isingi mudeli magnetilise järjestamise uurimiseks oleme läbi viinud Monte Carlo simulatsioonid, kasutades meie enda rakendatud Metropolise ühe keeruga algoritmi 22 ja Wolfi klastri algoritmi 23 .

Täiendav teave

PDF-failid

  1. 1

    Täiendav teave

Kommentaarid

Kommentaari esitamisega nõustute järgima meie tingimusi ja kogukonna juhiseid. Kui leiate midagi kuritahtlikku või mis ei vasta meie tingimustele või juhistele, märkige see sobimatuks.