Trang chủ » Tia X năng lượng cao xác định thành phần tốt nhất cho hợp kim bán kim loại

Tia X năng lượng cao xác định thành phần tốt nhất cho hợp kim bán kim loại

Mới đây, các nhà khoa học đã chứng minh được khả năng sử dụng tia X năng lượng cao để xác định thành phần tốt nhất cho hợp kim bán kim loại Heusler Co2MnSi bằng phương pháp quang phổ điện tử tích hợp spin (HAXPES). Nghiên cứu này sử dụng bức xạ synchrotron tại NanoTerasu. Phổ HAXPES của dải hóa trị thể hiện sự phụ thuộc thành phần có hệ thống và cường độ quang phát xạ nhỏ nhất ở mức Fermi (EF) đối với thành phần giàu Mn. Mật độ trạng thái (DOS) đối với Co2MnSi sắp xếp theo L21 với các thành phần Mn khác nhau thu được từ tính toán nguyên lý đầu tiên cũng cho thấy tổng DOS nhỏ nhất tại EF. Kết quả thực nghiệm chứng minh rằng có thể đánh giá hợp kim bán kim loại ngay cả với HAXPES tích hợp spin bằng cách ghi lại những thay đổi có hệ thống trong cấu trúc điện tử thông qua các phép đo trên màng phân bố thành phần.

Các ferromagnet bán kim loại được coi là vật liệu tiềm năng để hiện thực hóa nhiều thiết bị spintronics. Trong các cấu trúc dải điện tử bán kim loại, một trong các trạng thái spin có khoảng cách dải hữu hạn ở mức Fermi (EF), được gọi là khoảng cách bán kim loại. Do sự hình thành của khoảng cách bán kim loại, phân cực spin (P) được xác định bởi sự khác biệt về mật độ trạng thái (DOS) giữa các trạng thái spin đa số và thiểu số tại EF khi 𝑃 có thể lý tưởng là 100%. Điều này dẫn đến tỷ lệ từ điện trở cao trong các thiết bị spintronic như thiết bị từ điện trở khổng lồ và thiết bị từ điện trở đường hầm (TMR). Độ phân cực spin cao của vật liệu bán kim loại cũng góp phần vào quá trình tiêm spin điện hiệu quả vào chất bán dẫn ở nhiệt độ phòng, dẫn đến các thiết bị spintronic bán dẫn. Trong số các dạng hợp kim, hợp kim Heusler, được ký hiệu là X2YZ, là vật liệu bán kim loại tiềm năng. Co2MnSi đã được coi là một bán kim loại mạnh có khoảng cách lớn lên tới 0,81 eV và nhiệt độ Curie cao là 985 K. Trên thực tế, thiết bị nối đường hầm từ tính (MTJ) đầu tiên thể hiện tỷ lệ TMR cao ở nhiệt độ phòng đã được chứng minh bằng cách sử dụng Co2MnSi làm điện cực.

Tính bán kim loại của hợp kim Heusler phụ thuộc mạnh vào thành phần nguyên tử (ngoài thành phần hóa học). Ví dụ, đối với hợp kim Heusler chứa Mn như Co2MnSi, các vị trí đối CoMn (nguyên tử Co tại các vị trí Mn danh nghĩa) có xu hướng làm tăng DOS tại EF trong khoảng cách bán kim loại, dẫn đến giảm mạnh phân cực spin. Do đó, việc tối ưu hóa cẩn thận thành phần nguyên tử của hợp kim Heusler là điều không thể tránh khỏi để thu được các tính chất bán kim loại. Tuy nhiên, việc xác định định lượng phân cực spin rất khó khăn do các quy trình thử nghiệm để chế tạo các thiết bị spintronic sử dụng các kỹ thuật quang khắc như thiết bị van spin phi cục bộ (NLSV) và thiết bị CPP-GMR. Do đó, việc phát triển một phương pháp đánh giá đơn giản, thông lượng cao đối với tính bán kim loại là rất quan trọng để tìm kiếm các hợp kim Heusler bán kim loại lý tưởng từ nhiều ứng viên khác nhau bao gồm cả kết hợp nguyên tử và điều kiện chế tạo. Gần đây, phép đo từ trở dị hướng (AMR) đã được đề xuất như một phương pháp đánh giá dễ dàng cho bán kim loại của hợp kim Heusler. Người ta đã chứng minh bằng thực nghiệm rằng tỷ lệ AMR âm lớn hơn tương ứng với độ phân cực spin cao hơn của nhiều hợp kim Heusler khác nhau, điều này cũng cho thấy DOS nhỏ hơn tại EF trong khoảng cách bán kim loại. Do đó, tỷ lệ AMR là một chỉ báo tốt để tìm kiếm thành phần tối ưu của hợp kim Heusler. Tuy nhiên, mặc dù mối tương quan định tính giữa tỷ lệ AMR âm lớn và độ phân cực spin cao đã được xác nhận, nhưng bản thân tỷ lệ AMR không đưa ra các giá trị phân cực spin định lượng, điều này khiến phép đo AMR trở thành phương pháp đánh giá gián tiếp cho bán kim loại. Để tăng thông lượng của các phép đo, các kỹ thuật kết hợp như sử dụng màng phân tán thành phần là một chiến lược hiệu quả. Mặc dù việc xác định định lượng độ phân cực spin và tối ưu hóa thành phần trong hợp kim Heusler bằng các thiết bị NLSV chế tạo từ màng phủ thành phần đơn đã được kiểm chứng, việc chế tạo và phân tích các thiết bị NLSV để tối ưu hóa thành phần vẫn tốn thời gian. Việc đánh giá độ phân cực spin bằng các thiết bị CPP-GMR cũng tốn thời gian vì các thiết bị có lớp sắt từ có độ dày khác nhau phải được chuẩn bị bằng các quy trình quang khắc phức tạp.

(Nguồn: Science and Technology of Advanced Materials, Volume 26, 2025 – Issue 1)

Do hình dạng đặc trưng của các cấu trúc điện tử gần EF của hợp kim Heusler bán kim loại như Co2MnSi, HAXPES tích hợp spin cũng có thể phát hiện ra sự hình thành khoảng trống bán kim loại, mất ít thời gian đo hơn so với HAXPES phân giải spin. Ở trạng thái spin thiểu số, DOS thấp tại EF trong khoảng trống bán kim loại được bao quanh bởi hai cạnh của DOS cao. DOS tại EF phải nhỏ nhất nếu có khoảng trống bán kim loại tại EF. Mặt khác, ở trạng thái spin đa số, chỉ một số ít trạng thái góp phần vào DOS tại EF xuất hiện từ các dải phân tán mạnh và chúng sẽ không bị ảnh hưởng nhiều bởi thành phần. Do đó, tổng DOS tại EF phải nhỏ nhất khi khoảng cách bán kim loại được hình thành tại EF và tổng DOS tại EF phải phản ánh sự tồn tại của khoảng cách bán kim loại trong trạng thái spin thiểu số do không có DOS trong trạng thái spin thiểu số và DOS nhỏ do spin chi phối trong trạng thái spin đa số tại EF. Điều này sẽ dẫn đến việc nếu sự phụ thuộc thành phần của cường độ quang phát xạ gần EF được đo một cách có hệ thống bằng cách sử dụng các màng phân tán thành phần, thì có thể đánh giá bán kim loại của hợp kim Heusler bằng phổ HAXPES dải hóa trị tích hợp spin ngay cả khi không có các thí nghiệm phân giải spin. Do đó, thực hiện các thí nghiệm HAXPES tích hợp spin trên các màng phân tán thành phần hợp kim Heusler có thể là một phương pháp bức xạ thông lượng cao để đánh giá bán kim loại. HAXPES tích hợp spin của các màng phân tán thành phần Co2MnAl1–αSiα được thực hiện tại BL15XU của SPring-8. Họ đã quan sát thành công sự dịch chuyển có hệ thống của vị trí đỉnh của phổ HAXPES về phía năng lượng liên kết cao hơn, với sự dịch chuyển năng lượng tổng cộng là 0,40 eV từ phía Co2MnAl sang phía Co2MnSi, chứng minh sự điều chỉnh kết hợp của EF trong màng phân tán thành phần. Họ cũng đã thực hiện phép đo kết hợp các đặc tính nhiệt điện bằng cách sử dụng các màng phân tán thành phần.

Quan sát trực tiếp các cấu trúc điện tử là phương pháp đáng tin cậy nhất để đánh giá các cấu trúc điện tử bán kim loại. Điều này có thể thực hiện được bằng phương pháp quang phổ điện tử quang điện tử (PES) như PES cực tím chân không và PES tia X mềm. Tuy nhiên, các phương pháp này nhạy cảm với bề mặt; các phép đo bị ảnh hưởng mạnh bởi trạng thái bề mặt do đường đi trung bình không đàn hồi ngắn của các electron. Ngược lại, quang phổ điện tử quang điện tử tia X cứng (HAXPES) là kỹ thuật thăm dò nhạy cảm với khối lượng. Gần đây, Ueda và cộng sự đã sử dụng HAXPES phân giải spin của màng mỏng Co2MnSi dày 30 nm được chôn dưới lớp phủ oxit để đánh giá trực tiếp các trạng thái điện tử của dải hóa trị phụ thuộc spin và xác nhận khoảng cách bán kim loại và phân cực spin cao ≈ 90%. Mặc dù phép đo HAXPES phân giải spin là một công cụ mạnh để quan sát trực tiếp khoảng cách bán kim loại trong trạng thái spin thiểu số, nhưng đây là kỹ thuật tốn thời gian; do tiết diện quang ion hóa nhỏ của tia X cứng, HAXPES về bản chất là phép đo kém electron và hiệu quả bị giảm thêm do độ phân giải spin. Do đó, về nguyên tắc, HAXPES phân giải spin không phải là phương pháp đo hiệu quả, có thể không phù hợp để mô tả đặc tính thông lượng cao.

Từ khóa: bức xạ; tia X

– CMD –

Cùng chủ đề

Viết một bình luận

THÔNG TIN LIÊN HỆ

Công ty TNHH thiết bị và dịch vụ khoa học AE

Trụ sở chính tại Hà Nội: Phòng 1411 tòa nhà OCT2, KĐT Xuân Phương Viglacera, phường Xuân Phương, quận Nam Từ Liêm, Hà Nội.

Chi nhánh miền Nam: 154/174C Âu Dương Lân, Phường 3, Quận 8, Tp. Hồ Chí Minh

Chi nhánh miền Trung: Xã Lộc Ninh, Tp. Đồng Hới, tỉnh Quảng Bình.

Chi nhánh Bắc Giang: Số 18, Thôn Lực, xã Tân Mỹ, Tp. Bắc Giang, tỉnh Bắc Giang.

ĐT: 0983374983, Fax: 024366667461

Email: duongcm@ae-rad.vn

Di động: 0983 374 983 (Chu Minh Dương)

LIÊN HỆ TƯ VẤN





    Total Visitors: 138703

    Today's Visitors:1

    0983 374 983