研究人员发现具有巨大磁阻的材料

东北大学的一组研究人员推出了一种具有巨大磁阻的新材料，为非易失性磁阻存储器 (MRAM) 的发展铺平了道路。

他们独特发现的详细信息发表在2023 年 5 月 29 日的《合金与化合物杂志》上。

如今，对能够有效处理大量数字信息的硬件和传感器的进步需求从未如此强烈，尤其是在政府部署技术创新以实现更智能的社会的情况下。

这些硬件和传感器中的大部分都依赖于 MRAM 和磁传感器，而隧道磁阻器件构成了此类设备的大部分。

隧道磁阻器件利用隧道磁阻效应来检测和测量磁场。这与磁隧道结中铁磁层的磁化有关。当磁铁对齐时，会观察到低电阻状态，电子可以很容易地穿过它们之间的薄绝缘屏障。当磁体未对齐时，电子的隧穿效率会降低并导致更高的电阻。这种电阻变化表示为磁阻比，这是决定隧道磁阻器件效率的关键指标。磁阻比越高，器件越好。

目前的隧道磁阻器件包括氧化镁和铁基磁性合金，如铁钴合金。铁基合金在环境条件下具有体心立方晶体结构，在含有岩盐型氧化镁的器件中表现出巨大的隧道磁阻效应。

有两项著名的研究使用这些铁基合金生产了显示高磁阻比的磁阻器件。2004年第一届由日本产业技术综合研究所和IBM合作;第二次发生在 2008 年，当时东北大学的研究人员报告称，室温下的磁阻比超过 600%，在接近零开尔文的温度下跃升至 1000%。

自从这些突破以来，各种研究所和公司在珩磨设备物理、材料和工艺方面投入了大量精力。然而，除了铁基合金外，只有一些赫斯勒型有序磁性合金表现出如此巨大的磁阻。

日本东北大学的 Tomohiro Ichinose 博士和 Shigemi Mizukami 教授最近开始探索热力学亚稳态材料，以开发一种能够展示类似磁阻比的新材料。为此，他们专注于具有体心立方亚稳态晶体结构的钴锰合金的强磁性。

“钴锰合金具有面心立方或六方晶体结构作为热力学稳定相。由于这种稳定相表现出弱磁性，因此从未将其作为隧道磁阻器件的实用材料进行研究，”Mizukami 说。

早在 2020 年，该小组就报道了一种使用具有亚稳态体心立方晶体结构的钴锰合金的设备。

他们利用数据科学和/或高通量实验方法，以这一发现为基础，通过向亚稳态体心立方钴锰合金中添加少量铁，成功地在器件中获得了巨大的磁阻。磁阻比在室温下为350%，在低温下也超过1000%。此外，器件制造采用溅射法和加热工艺，与当前行业兼容。

Mizukami 补充说：“我们已经生产出第三种新型磁性合金，用于隧道磁阻器件，显示出巨大的磁阻，它为未来的改进设定了一个替代方向。”

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