[論文レビュー] Direct-write of free-form 3D nanostructures with controlled magnetic frustration

L. Keller, Mohanad Al Mamoori+10 more|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 2017

Advanced Condensed Matter Physics被引用数 53

ひとこと要約

この論文は FEBID を用いた freestanding の直接書き込みで自由形状の3D ferromagnetic nanostructures を作製し、それらの微細構造を特徴づけ、マグネジゼーションのスイッチングと磁気のフラストレーションをマイクロ-Hall 測定とマイクロ磁気/マクロスピンシミュレーションにより解析する。

ABSTRACT

Building nanotechnological analogues of naturally occurring magnetic structures has proven to be a powerful approach to studying topics like geometry-induced magnetic frustration and to provide model systems for statistical physics. Moreover, it practically allows to engineer novel physical properties by realizing artificial lattice geometries that are not accessible via natural crystallization or chemical synthesis. This has been accomplished with great success in the field of two-dimensional artificial spin ice systems with important branches reaching into the field of magnetic logic devices. Although first proposals have been made to advance into three dimensions (3D), established nanofabrication pathways based on electron beam lithography have not been adapted to obtain free-form 3D nanostructures. Here we demonstrate the direct-write fabrication of freestanding ferromagnetic 3D nano-architectures with full control over the degree of magnetic frustration. By employing micro-Hall sensing, we have determined the magnetic stray field generated by our free-form structures in an externally applied magnetic field and we have performed micromagnetic and macro-spin simulations to deduce the spatial magnetization profiles in the structures and analyze their switching behavior. Furthermore we show that the magnetic 3D elements can be combined with other 3D elements of different chemical composition and intrinsic material properties.

研究の動機と目的

• 幾何学誘起磁気フラストレーションと新規磁気状態を研究するための3Dナノ磁性アーキテクチャを動機づけ、実現する。
• コンポジションを制御した自由形状の3D磁性ナノ構造を FEBID ベースで作製・検証するルートを開発する。
• 補完的な実験とシミュレーションを用いて微細構造・組成・磁気スイッチングを特徴づける。
• 複雑な3D磁性系のために3D磁性要素を異なる材料と統合する可能性を探る。

提案手法

• 前駆体 HCo3Fe(CO)12 を用いて FEBID で3D Fe-Co/コバルト富セグメントをマイクロ-Hall センサー上に直接書き込む。
• TEM、EELS、EDXS による微細構造と組成の特徴づけを行い、金属核と酸化物殻（コアシェルモデル）を同定する。
• 外部磁場掃引中に様々な角度でマイクロ-Hall磁力計測によって磁気のストレイフィールドを測定する。
• マクロスピン・シミュレーションを行いスイッチング挙動を再現し、Hall曲線の特徴を解釈する。
• コア-シェル（Co 金属核、Co2FeO4 シェル）シナリオでのミクロ磁気シミュレーションを実施し、マクロスピン結果との不一致の理解を深める。
• 3D アレイを実証し、磁性頂点を非磁性材料に置換して3D格子を構築する可能性を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 直接書き込み FEBID によって自由形状の3D磁性ナノアーキテクチャを、制御された磁気フラストレーションを持つ形で作製できるか。
• RQ2 微細構造と組成（コア-シェル vs 純金属）が3Dナノ構造の磁化スイッチングとストレイ場シグネチャにどのように影響するか。
• RQ3 マクロスピンとミクロ磁気モデルは、様々な磁場方向に対して観測されたスイッチング挙動を再現できる程度がどれほどか。
• RQ4 3D磁性要素を複合的な3Dアーキテクチャやアレイに統合し、Ising/Heisenberg様な研究のために非磁性頂点置換を含む実験的な構成が可能か。

主な発見

• FEBID によって freestanding の3D Fe-Co/コバルト富ナノ構造を直接書き込み、磁気フラストレーションの影響を検出可能である。
• デポジットは結晶性で、金属核のCo-Feと磁気的な酸化物殻からなるコア-シェル構成を示し、磁気挙動に影響する。
• マイクロ-Hall 測定は外部磁場の角度に依存する複雑なストレイフィールドヒステリシスを示す; マクロスピンモデルは多くの特徴を捉えるが、詳細な一致にはミクロ磁気シミュレーションが必要となる場合がある。
• コア-シェル磁性構造（Co3Fe コア / Co2FeO4 シェル）は、特にマクロスピンのみで失敗する難しい角度を含む複数の角度で実験的なストレイ-fieldデータと良い一致を示す。
• マクロスピンモデルはスイッチングのスケーラブルな第一のおおまかな解釈を提供し、ミクロ磁気シミュレーションは理解を検証・洗練し、実サンプルの近表面酸化物の役割を浮き彫りにする。
• デモンストレーションには3D ナノ-ツリーとナノ-キューブ形状が含まれ、頂点を非磁性セグメントに置換してIsing/Heisenberg様の研究のための3Dアレイを形成する可能性がある。