南科大汪宏团队在高熵磁绝缘材料领域取得研究进展

近日，南方科技大学材料科学与工程系汪宏讲席教授课题组在高熵磁绝缘材料领域取得重要进展，相关成果以“Robust Ferrimagnetism and Switchable Magnetic Anisotropy in High-Entropy Ferrite Film”为题在国际顶级期刊Advanced Functional Materials上发表。

亚铁磁绝缘材料广泛应用于自旋电子器件、非易失性存储器和微波器件（如：隔离器、循环器）等信息技术领域。尖晶石铁氧体是磁性绝缘材料中不可或缺的关键成员，在涡流和传导电子散射的磁化动力学中表现出较小的损耗，且具有高的磁导率、非互易电磁特性，因此在过去几十年中被广泛的研究。尖晶石铁氧体无源器件与半导体固态有源器件的集成在提高小型化、带宽、速度、功率和生产成本等方面具有显著优势。然而，随着现代信息存储的快速发展，人们对电子设备提出了新的需求：小型化、集成化、低功耗以及高频化。因此，开发具有高饱和磁化强度、高电阻率且易于集成的铁磁绝缘体对于实现下一代无耗散电子和自旋电子器件至关重要。

研究团队利用高熵的多元素随机分布以及多离子之间的相互作用特性，以高熵尖晶石(CrMnFeCoNi)3O4（CMFCN）为研究对象，揭示了高熵尖晶石CMFCN薄膜的厚度与结构和磁性之间的关系。在薄膜厚度为10 nm时，高熵CMFCN薄膜展现出超高饱和磁化强度（1198 emu·cm-3）、低矫顽力（90 Oe）以及高电阻率（1233 Ω·cm），如图1所示。此外，所有高熵薄膜都表现出较大的磁各向异性。研究同时发现，随着薄膜厚度增加，易磁化轴从面内方向转变为面外方向。通过高分辨球差电镜和微观结构分析研究表明，这种优异的磁绝缘性源于高熵的成分无序但结构有序的高质量单晶外延结构。高熵铁氧体薄膜中表现的可切换磁各向异性可归因于晶格畸变导致的反铁磁性岩盐相形成有关。这些优异的磁性能和可切换的磁轴一直是自旋电子学追求的热点。这项工作揭示了磁性氧化物薄膜高熵策略的关键优势，为开发综合性能优异的磁性材料开辟了新的机遇。


图1：不同磁性绝缘材料的ρ 和 MS数值比较。

南方科技大学访问学生金菲（现为西安交通大学在读博士生）为论文第一作者，汪宏教授为论文通讯作者，南科大为论文通讯单位，合作作者包括南科大材料系谷猛副教授、潘子钊研究助理教授、李立博士后、潘德胜博士后，南科大物理系陈朗教授，东莞理工学院祝远民副教授，中国科学技术大学特任研究员李倩。此研究得到了国家自然科学基金、广东省科技厅和深圳市科创委以及南方科技大学分析测试中心的大力支持。

论文链接： https://doi.org/10.1002/adfm.202214273