高压合成双钙钛矿新材料:极低冷却场诱导的巨大交换偏置效应

来源: 电介质Dielectrics

发布日期: 2023-05-17 18:04:48

中国科学院物理研究所的靳常青、邓正团队在高压合成的B位有序双钙钛矿结构功能材料研究上取得重要进展,成功研制了Y2NiIrO6新材料,该材料在低温下表现出极低的冷却场和巨大的交换偏置效应,对自旋电子学器件的灵敏度和稳定性有显著提升。

过渡金属钙钛矿氧化物表现出丰富的物理性质,为凝聚态物理和材料科学的研究提供了广阔的舞台。简单钙钛矿具有ABO3构型,若将B位放入两种金属离子,则会衍生出B位有序钙钛矿A2BB'O6。在后者中,两种过渡金属离子间将产生B-B/B'-B'/B-B'等多重磁关联,他们间的竞争将诱发丰富磁电性能。

如果同时将高、低轨道d电子的过渡金属元素填入B位,例如3d(B)-5d(B')的组合,由于同时具有强关联效应和强自旋轨道耦合,将诱发出多铁性,轨道有序,半金属性等诸多奇异的物理性质。

常规条件制备的钙钛矿材料由于容忍因子的限制,决定了B-O-B'的键角总是接近180°,而这想要获得较强3d-5d磁关联,则需要较小的B-O-B'的键角。

为了达到这一目的,需要A位放入小尺寸离子,这势必使容忍因子严重偏离理想值1,这样的结构难以用常规条件制备。高压是研制具备特殊性能新材料的重要技术手段,高压高温合成技术可以稳定钙钛矿中的结构畸变,拓宽容忍因子范围。同时高压在自然界广泛存在,研究高压新物态是认识自然界实体物质的重要前提。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心极端条件实验室EX5组靳常青团队长期开展类钙钛矿功能新材料的研制,通过高压技术创新,设计并研制发现了多种含有钙钛矿结构基元的量子功能新材料。

近期,靳常青、邓正团队在高压合成的B位有序双钙钛矿结构功能材料研究上取得重要进展。

磁交换偏执效应在自旋电子学领域有着广泛的应用,对一般的磁交换偏置材料而言,交换偏置场往往需要较大的冷却场(103高斯以上),这显然对实际应用非常不利。邓正副研究员与李文敏博士运用高压技术成功研制了B位有序双钙钛矿新材料Y2NiIrO6,该材料在192K发生亚铁磁转变,在170K以下表现出明显的磁交换偏置。

低温下,仅需15高斯的冷却场就可以诱导1.1T的交换偏置场,如此低的冷却场在目前已知的材料中是非常罕见的。他们利用中子衍射和x射线磁圆二色(XMCD)确认了Ni2+-Ir4+磁矩的长程亚铁磁有序,XMCD进一步观察到Ir4+的强自旋轨道耦合及明确的轨道序。

具有极低冷却场及大交换偏置效应的Y2NiIrO6将能提高自旋阀这类关键自旋电子学器件的灵敏度和稳定性,同时由于其极高的磁畴灵敏度,也在低场探测领域有着巨大应用潜力。

相关研究成果以“Giant Exchange Bias-Like Effect at Low Cooling Fields Induced by Pinned Magnetic Domains in Y2NiIrO6 Double Perovskite”为题,作为首页插图文章,于2023年4月26日在Advanced Materials上发表。

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