巨大垂直磁各向异性铁磁MnGa新材料研究取得重要进展

同时具有高矫顽力、高垂直磁各向异性和高磁能积的磁性材料在超高密度垂直磁记录、高性能永磁体以及高热稳定性并抗磁噪声的自旋电子学器件等方面有着广阔的应用前景。利用高垂直磁各向异性铁磁材料的自旋电子学器件主要包括利用磁性隧道结或自旋阀做成的非挥发、超高速、低功耗的磁电阻随机存储器，高空间分辨率、高灵敏度的磁性传感器、硬盘读头，高功率微波振荡器、自旋发光二极管和自旋场效应管等。

理论预言L10相铁磁MnGa合金 (图 1(a)) 同时具有高垂直磁晶各向异性、高磁距、高磁能积、高自旋极化度、超低磁阻尼因子等一系列优越特性，是超高密度磁记录、永磁体和多种自旋电子学器件的重要备选材料，过去十余年中受到了高度关注。最近中国科学院半导体研究所超晶格国家重点实验室的赵建华研究员课题组在L10-Mn1.5Ga薄膜研究方面取得了新进展相关成果发表在《先进材料》上。赵建华研究员和其博士生朱礼军等通过分子束外延方法在半导体GaAs衬底上，首次实现了均匀的L10-Mn1.5Ga高品质单晶薄膜的外延生长，该薄膜表现出4.3 T的超高矫顽力，超过21.7 Merg/cc的磁晶各向异性和多铁永磁体相媲美的磁能积和接近完美矩形的磁滞回线。该材料支持记录密度超过27 Tb/inch2的垂直磁记录，支持5 nm以下小尺寸的磁存储器和磁传感器等纳米器件。同时由于其不含稀土和贵金属元素，成本低廉，可以用于取代目前广泛使用但原材料短缺、加工困难、容易污染环境的稀土永磁材料。

图1(a) L10 -Mn_xGa (1 < x < 1.8)单胞; (b）不同温度生长的L10 -Mn1.5Ga薄膜的同步辐射XRD θ-2θ谱； (c) 垂直磁各向异性能 Ku, (d)化学有序度 S, (e) MnGa (002) 峰的半高全宽FWHM 和 (f) 晶格常数c对生长温度的依赖关系。

合金薄膜的化学有序度、应力水平和缺陷水平对理解合金材料宏观物理特性的内在机制来说是至关重要的三个参数。赵建华研究员课题组利用在北京同步辐射装置4B9A-衍射实验站测得的X-射线衍射曲线 (图1(b))，计算了MnGa多功能薄膜的化学有序度、应力水平和缺陷水平，为解释该材料超高矫顽力的来源提供了有力的证据。完美铁磁材料的矫顽力是由各向异性能Ku决定的，而MnGa薄膜材料的超高矫顽力与Ku对生长温度的依赖并不一致，说明存在晶格“非完美性”的贡献，从图1(c)-(f) 中可以看到化学无序和晶格缺陷水平（FWHM）对生长温度的依赖关系与矫顽力完全吻合，而远小于体材料的晶格常数c则说明这些薄膜中存在很强的应力和四方畸变。这说明MnGa薄膜材料的超高矫顽力来源于垂直磁各向异性、化学无序、晶格缺陷和应力的共同贡献。

发表文章：

Lijun Zhu, Shuaihua Nie, Kangkang Meng, Dong Pan, Jianhua Zhao*, Houzhi Zheng. Multifunctional L10-Mn1.5Ga Films with Ultrahigh Coercivity, Giant Perpendicular Magnetocrystalline Anisotropy and Large Magnetic Energy Product, Advanced Materials, 24 (33), 4547-4551, 2012.