[論文レビュー] High temperature magnetic stabilization of cobalt nanoparticles by an antiferromagnetic proximity effect

J. A. De Toro, Daniel P. Marques+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2015

Magnetic properties of thin films参考文献 64被引用数 73

ひとこと要約

本研究では、低ネール温度で高異方性を示すCoO被膜と、高ネール温度で低異方性を示すNiOマトリックスとの間の近接効果により、5–7 nmのコバルトナノ粒子がNiOマトリックスに埋め込まれることで、400 Kを超える磁気遮断温度を達成することを示した。これは孤立状態と比較して10倍以上高い。この結果として、交換バイアスによってコアの磁化が熱揺らぎに対して安定化される有効な反強磁性結合が生じ、平均場モデルがそのメカニズムを確認した。

ABSTRACT

Thermal activation tends to destroy the magnetic stability of small magnetic nanoparticles, with crucial implications in ultra-high density recording among other applications. Here we demonstrate that low blocking temperature ferromagnetic (FM) Co nanoparticles (TB<70 K) become magnetically stable above 400 K when embedded in a high N\\'eel temperature antiferromagnetic (AFM) NiO matrix. The origin of this remarkable TB enhancement is due to a magnetic proximity effect between a thin CoO shell (with low N\\'eel temperature, TN; and high anisotropy, KAFM) surrounding the Co nanoparticles and the NiO matrix (with high TN but low KAFM). This proximity effect yields an effective AFM with an apparent TN beyond that of bulk CoO, and an enhanced anisotropy compared to NiO. In turn, the Co core FM moment is stabilized against thermal fluctuations via core-shell exchange-bias coupling, leading to the observed TB increase. Mean-field calculations provide a semi-quantitative understanding of this magnetic- proximity stabilization mechanism.

研究の動機と目的

• フェロ磁性Coナノ粒子における低遮断温度（TB）の制限を克服すること。
• 2つの反強磁性体（CoOとNiO）間の近接効果が、室温を超える磁気安定性を向上させうるかを検討すること。
• CoO被膜とNiOマトリックス間の界面における交換結合が、Coコアの磁化モーメントを安定化させる役割を解明すること。
• 観測された遮断温度の上昇および交換バイアスを説明するための平均場モデルの構築

提案手法

• インertガス凝縮とRFスパッタリングを用いた、コア/シェル構造のCo/CoOナノ粒子（5–7 nm）の合成。クラスターソース出力とヘリウムキャリアガスによる粒子サイズの制御。
• 高ネール温度（520 K）のNiOマトリックスにナノ粒子を埋め込み、複合系（Sシリーズ）を形成。比較用にNbドープ試料（Rシリーズ）を用意。
• SQUID磁化計測を用いた磁気的特性評価。さまざまな温度における場冷/ゼロ場冷（FC/ZFC）磁化曲線およびヒステリシスループの測定。
• Si基板からのバックグラウンド補正を施した上で、M(H)ループおよびZFC/FC曲線からの交換バイアス（HE）および遮断温度（TB）の定量的分析。
• 球殻に分かれたCoおよびNi原子におけるスピン配列を考慮した平均場分子モデルの構築。界面における交換結合および異方性を組み込み。
• HE(T)データをモデルにフィッティングすることで、連続的シェルではなく孤立ナノグレインを想定した場合の有効CoO被膜厚さ（0.25 nm）の推定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 反強磁性近接効果を用いることで、小さなCoナノ粒子の磁気的安定性を室温を超えて向上させられるか？
• RQ2 CoO被膜の異方性とNiOマトリックスのネール温度が、高TB安定化に果たす役割は何か？
• RQ3 CoOとNiO間の界面における交換結合が、効果的な反強磁性体を形成し、遮断温度を向上させるメカニズムは何か？
• RQ4 平均場モデルは、観測された交換バイアスおよび遮断温度上昇をどの程度定量的に説明できるか？

主な発見

• Co/CoO-NiOナノ粒子の遮断温度（TB）は400 Kを超える（TB(S50He) > 400 K）。これは、比較用のCo/Nb試料（TB(R50He) ≈ 35 K）と比較して10倍以上高い。
• 300 KでS50He試料は有限のコーエリビティ（µ0HC ≈ 6 mT）と交換バイアス（µ0HE ≈ 14 mT）を示し、スーパーパラ磁性を示さないことを確認した。
• 交換バイアス（HE）は少なくとも400 Kまで有限に保たれ、交換結合を持つコアシェル系が室温を超えて磁気記憶を維持していることを示した。
• HE(T)データを平均場モデルにフィッティングした結果、有効CoO被膜厚さは1ナノグレインあたり0.25 nmと推定された。これはTEM観察で得られた小形で孤立した酸化物粒子と整合的であった。
• 平均場計算により、表面におけるCoの磁化抑制とCoO/NiO界面における磁化安定化の実験的傾向が、適合パラメータなしに再現された。
• 有効な反強磁性挙動は、高TNのNiOマトリックスと高異方性のCoO被膜の相乗効果によって生じ、より高い有効異方性と遮断温度を持つ複合体を形成した。