Tunable Raumtemperatur Ferromagneten unter Verwendung eines Eisen-Oxid und Graphenoxids Nanokomposit,
Einführung
Manipulieren die Eigenschaften eines Ferromagneten durch andere Mittel als ein Magnetfeld hat enorme Auswirkungen auf die Technologie hatte. Das bekannteste Beispiel hierfür ist der Spin-Übertragungsdrehmomentmechanismus von Slonczewski vorhergesagten 1 und durch Berger 2, bei dem ein spinpolarisierten elektrischer Strom überträgt Drehimpuls auf die Ferromagneten und seine Orientierung wechselt. Magnetspeicher basierend auf diesen Mechanismus (ST-MRAM) sind bereits im Handel erhältlich, sind nicht flüchtig, haben eine bessere Energieeffizienz, und sie sind leicht skalierbar, um kleinere Geräte als die meisten konventionellen Speicher 3. Ein anderes Beispiel ist magnetoelektrischen (oder multiferroischen) -Materialien 4 , 5, 6, wo der Betrag der Magnetisierung kann durch ein elektrisches Feld gesteuert werden. Für Betrieb bei Raumtemperatur, werden magnetoelektrische Materialien, die durch Engineering Hetero Kombination ferroelektrischen und ferromagnetischen Materialien, die durch den Stamm an ihrer Grenzfläche gekoppelt sind. Solche Materialien haben könnten auch Anwendung in Low-Latency-Speicher. Noch ein weiterer vielversprechender Mechanismus ferromagnetischen Eigenschaften zu steuern, enthält die Übergangstemperatur von dünnen ferromagnetischen Filmen Steuern eines elektrisches Feld unter Verwendung von 7, 8, 9 -einer nutzen die Empfindlichkeit der magnetischen Eigenschaften mit der elektronischen Ladungsträgerdichte durch den Feldeffekt abgestimmt.
Abbildung 2: Die Magnetisierung und die Kapazität für verschiedene Initialisierungsprozesse.
(A) Magnetisierung als Funktion der Temperatur für Proben mit unterschiedlichen Bext initialisiert. Die Übergangstemperatur kann gemacht werden, von 276 K (Bext = 0,02 T) bis 317 K (Bext = 0,04 T) zu variieren. (B) Kapazitätsmessung für mehrere unterschiedliche Bext an unterschiedliche Elektroden-Konfiguration entspricht (siehe Text und Fig. 1 für weitere Details).
Wir diskutieren zunächst die spinabhängigen elektronischen Transporteigenschaften des Gerätes. Ein elektrischer Strom wurde an der Vorrichtung durch die ferromagnetischen Elektroden eingespritzt, während ein externes Magnetfeld an dem System angelegt wurde, um die Konfiguration der Elektroden zu treiben. Wir haben den elektrischen Widerstand der Vorrichtung gemessen, während nach und nach der Stärke des Magnetfeldes variiert. Figur 3 (a) zeigt das Ergebnis einer solchen Messung.
Abbildung 3: Geräte elektrische Eigenschaften.
(A) Gerät des elektrischen Widerstandes in Bezug auf die Bext. (B) ferromagnetischer Elektroden Reaktion auf ein externes Magnetfeld (unten) und einen Aufblasverhältnis der Widerstandsdaten in dem gleichen Feldbereich (oben) verstiftet. Messungen zeigen zwei verschiedene Sprünge im Widerstand, einem zum Riesenmagnetowiderstand entspricht, und dem anderen aufgrund einer ferromagnetischen Übergang.
Diese ferromagnetischen Übergang verstehen wir die direkte magnetostatische Wechselwirkung zwischen den Eisen-Oxid-Nanopartikel ersten abzuschätzen. Wir finden, dass dies mehrere Größenordnungen kleiner als kBTroom was bedeutet, dass sie als Ursprung des Magnetismus in diesem System ausgeschlossen werden kann. Dies erklärt, warum das System bleibt immer paramagnetischem, wenn kein Strom durchgeleitet wird. Darüber hinaus sind die lokalisierten Elektronenzustände notwendig, den Ursprung des Ferromagnetismus zu erklären, da keine Ferro- in Experimenten ohne die teilweise reduzierte Graphenoxids beobachtet werden, z.B. wenn es mit hochleitenden Graphen oder stark reduziert Graphenoxids ersetzt.
Der nächste logische Schritt ist es, einen Zeeman artige Kopplung zwischen den Hopping Elektronen aufzunehmen und den Eisen-Oxid-Nanopartikel. Dies gibt Anlass zu einer effektiven Wechselwirkung zwischen den Nanopartikeln durch das Meer von spinpolarisierten hopping Elektronen [ohne spin-Ungleichgewichts vermittelter ist diese reminescent der bekannten Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida (RKKY) -Wechselwirkung 12, 13, 14 ]. Grundsätzlich ein Elektron in der Nähe des einen Nanopartikels wird Informationen über seine Ausrichtung beibehalten werden, die dann von den anderen Nanoteilchen gesehen werden. Die Schätzungen zur Größenordnung dieser Kopplung als schwierig erweisen, aufgrund von Unsicherheiten in mehreren Parametern des Systems. Allerdings vernünftige Schätzungen für Materialparameter (siehe Zusatzinformationen) lassen vermuten, dass die Energieskala dieser vermittelten Wechselwirkungen in der Größenordnung von kBTroom sein kann. Dies ist daher die plausibelste Erklärung für die beobachteten Phänomene. Im Folgenden nehmen wir J0 das Ausmaß der Kopplung zwischen dem Hopping Elektron und dem Nanopartikel zu sein. Dies wird eine Eingabe in die theoretischen Berechnungen sein.
Mit einem solchen Mechanismus im Auge können wir eine wirksame mikroskopische Hamilton-Regierungs ein System von Hopping Elektronen mit Spin und lokalisierte Eisenoxid- magnetischen Momente schreiben. Wir verwenden Ising Momente für das Modell und glauben nicht, dass das Verhalten für eine andere Wahl-siehe zusätzliche Informationen qualitativ anders sein würde. Der Hamilton-Operator liest
wobei die () für den Teil steht freie Elektronen (Ising Momente) regelt, steht er -e (HM-M) für den Teil enthält, Elektron-Elektron-Wechselwirkungen (Dipol-Dipol-Wechselwirkungen), während er -M für den Teil enthält, steht die Zeeman Wechselwirkung zwischen Elektronen-Hopping und Momente Ising. Im Folgenden stellen wir die Bedingungen zur Seite und nicht relevant für die folgenden Berechnungen und für die der Einfachheit halber den Begriff ignorieren Er -e. Nach dem Geist der RKKY 12, 13, 14 Zusammenwirken, Bedingungen in H bedenkt, dass der Spin der Hopping Elektronen flip, und mehrere Vereinfachungen für die Berechnung verwendet wird (siehe Zusatzinformationen), findet man, dass die Hopping-Elektronen integrierenden out Freiheitsgrade gibt für die Ising Momente auf den folgenden effektiv Hamilton Anstieg (zusätzliche Informationen)
wo M & alpha; für den magnetischen Moment steht durch α indexiert (in Form von Bohr Magneton ausgedrückt, M & alpha; = μBmαλα. mit λα = ± 1), rαβ zwischen den beiden magnetischen Momente indexiert durch α und β für den Abstand steht. die Konstante K liest K ≡ J0μ0μBA. während n ∂ steht für die mittlere Dichte von Hopping Elektronen mit Spin σ = +, -. Der erste Term wirkt daher auf jedem Ising Moment als ein effektives Magnetfeld, das durch die Wolke der spin-unausgeglichen hopping Elektronen erzeugt. Der zweite Term ist eine lokale indirekten Austausch zwischen verschiedenen Interaktionsterm Ising Momenten, mit der RKKY-ähnliche Austauschparameter J (r. N +. N) gegeben ist durch
wo und durch in der obigen Gleichung die Funktionen gegeben, und lesen
wo wir definiert haben. In diesen Ausdrücken μ0 (uB) steht für die Vakuum Permittivität (Bohr Magneton), m * die effektive Masse des freien hopping Elektronengas, während ein (B) für die Amplitude steht für eine Elektronen mit Spinzustand σ seinen Spin haben unverändert (umgedreht), wenn sie mit einem Nanopartikel interagiert.
Aus Fig. 2 (b) schätzen wir die durchschnittliche elektronische Dichten der Probe, n ±. festgestellt, dass sie in der Regel klein sind, so dass im ersten Nachbarn-Wechselwirkungen im Allgemeinen ferromagnetisch sind - zusätzliche Informationen. Unter der Annahme, dass dann schließen wir, dass J (r. N +. N-) minimal ist für spin-Ungleichgewicht Null, wächst mit zunehmender spin-Ungleichgewichts-siehe Fig. 4 (a). Dies steht im Gegensatz zu dem typischen RKKY Ergebnis, bei dem keine Spin-Flips der Elektronen berücksichtigt werden. Unser Analyseergebnis wird erläutert, wie die ferromagnetischen Kopplung steigt mit Spin-Ungleichgewicht Erläuterung der experimentellen Beobachtung, dass die Magnetisierung ohne die spin-Ungleichgewicht verschwindet und nimmt mit größeren spin-Ungleichgewicht.
(A) Auftragung des oszillierenden Teils des Austauschparameters [siehe Gleichung (3)] für verschiedene Abstände zwischen den Nanopartikeln. Die Konstante C J osc Dividieren der führende Faktor in Gleichung (3). Wir zeichnen sowohl den Fall, in dem kein Elektron Spin-Flips sind erlaubt (gestrichelte Kurven) und den Fall, in dem diese sind erlaubt (volle Kurven). (B) Magnetisierung in Bezug auf die Temperatur für unterschiedliche Stärken der indirekten Austauschkopplung. (C) Ein Vergleich zwischen der experimentellen und theoretischen Blocking-Temperatur in Bezug auf der Stärke des spin-Ungleichgewicht (die theoretischen Anpassungsparameter verwendet wurde, war J0 = 2,2 × 10 6 und ξ = 5 nm). Die Monte-Carlo-Ergebnisse der Tafeln (b) und (c) wurden für die Simulationen (mit 79507 Ising Momenten), erhalten aus einem hoch geordneten Zustand ausgehend (siehe zusätzliche Informationen), die Metropolis-Algorithmus verwenden. Sie erforschen den Phasenraumbereich in der Nähe des globalen Energieminimums, und zeigen an, dass das System langreichweitige Ordnung zeigen kann, wenn die Cluster zunächst durch ein externes Magnetfeld ausgerichtet sind.
Starke Störung unterdrückt exponentiell den typischen Wert der RKKY-Wechselwirkung 19, 20, 21 als J (r. N +. N-) → J (r. N +. N-) e -R / ξ. wo in dem Metallgehäuse ξ ist die mittlere freie Weglänge des Elektrons. Da unser System sollte stark ungeordneter ξ ist klein, und die exponentielle Unterdrückung im Wesentlichen tötet all länger reichte Wechselwirkungen, so dass die einzigen relevanten Wechselwirkungen in unserem System vergleichbar mit den ersten Nachbarn diejenigen sind. Daher sind alle relevanten Wechselwirkungen sind ferromagnetisch. Zum Vergleich mit dem Experiment, das wir ξ nehmen ein Anpassungsparameter zu sein, vergleichbar mit dem Abstand zwischen den Nanopartikeln.
Die experimentellen Ergebnisse lassen stark vermuten, dass der Term erster Ordnung in Gleichung (2) ist irrelevant, wenn sie mit der zweiten Ordnung ein (siehe Zusatzinformation) verglichen. Das ist vollkommen kompatibel mit dem theoretischen Modell trotz der Tatsache, dass die effektive Hamilton-siehe Gleichung (2) -arises aus einer Reihe Expansion auf der Elektron-Nanopartikel-Interaktion. Die relative Größe des ersten und Terme zweiter Ordnung effektive Hamilton-Operator wird durch die externen Parameter bestimmt (n + -n-. Ξ. J0. M *. A und B) und nicht durch die Expansionsparameter. Die verwendeten Parameter, um die Ergebnisse von Fig zu erhalten. 4. einen Term zweiter Ordnung ergeben mindestens eine Größenordnung größer ist als die erste, um eine, für den Bereich der spin-Ungleichgewichte aus den experimentellen Ergebnissen geschätzt. Dementsprechend wird nur der Term zweiter Ordnung in Betracht gezogen wurde, wenn die Monte-Carlo-Simulationen durchgeführt wird.
Um die magnetische Ordnung des 3D-ungeordneten Ising-Modells aus der Integration der elektronischen Freiheitsgrade entsteht, zu untersuchen, haben wir durchgeführt Monte-Carlo-Simulationen unsere eigene Implementierung von Metropolis einzigen Spin-Flip-Algorithmus 22 und Wolf-Cluster-Algorithmus 23 verwendet wird.