具有大反常霍尔效应的反铁磁单晶合金及其制备方法和应用

1.本发明属于凝聚态物理领域。具体地，本发明涉及具有大反常霍尔效应的反铁磁单晶合金及其制备方法和应用。


背景技术：

2.反常霍尔效应是自旋电子学中重要的电输运性质之一，是指当电流通过磁性导体时，会在垂直于电流的横向方向产生电荷积累进而形成横向电压的一种物理现象。这一现象广泛应用于信号探测、信息存储器件开发等领域。早期认为反常霍尔效应与材料的磁化强度成正比，而反铁磁材料对外不显磁性，一般认为其不具有反常霍尔效应，因此反铁磁材料的应用和开发并没有引起关注。而随着研究的深入，研究人员进一步发现倒空间内非零贝利曲率是反常霍尔效应的内禀来源，可以理解为能使传导电子获得横向速度产生霍尔电压的赝磁场，这预示着反铁磁中也可能出现大反常霍尔效应。
3.六角mn3x(sn、ge、ga)合金为非共线反铁磁材料，具有相似的晶体结构和磁结构。近年来，研究人员相继在mn3sn和mn3ge单晶中发现了反常霍尔效应。而mn-ga相图中mn3ga的成分区域相图较为复杂，且相区基本处于贫mn区域，目前仍未有单晶的生长方法及相关性质的研究报道。现有技术transition from anomalous hall effect to topological hall effect in hexagonal non-collinear magnet mn3ga，z.h.liu等人，scientific reports，2017年3月31日中报道了多晶mn3ga，其室温反常霍尔效应非常小，霍尔电阻率|ρh|约为0.4μωcm。
4.由于反铁磁材料中可能产生与铁磁材料相当的反常霍尔效应，并兼具高的自旋动力学响应频率、低杂散场以及强抗外场干扰能力等诸多优点，因此有望作为信息存储单元应用于自旋电子学器件中。由于上述应用前景，近年来对于具有大反常霍尔效应的反铁磁材料的开发及应用受到广泛关注。
5.鉴于此，目前急需新的具有大反常霍尔效应的反铁磁单晶合金。


技术实现要素：

6.本发明的主要目的是提供一种新的具有大反常霍尔效应的反铁磁单晶合金。本发明的目的还在于提供本发明的具有大反常霍尔效应的反铁磁单晶合金的制备方法。本发明的制备方法简单、成本低廉。本发明的方法所制备的单晶在室温下表现为反铁磁性并且具有大反常霍尔效应。
7.本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的。
8.一方面，本发明提供一种具有大反常霍尔效应的反铁磁单晶合金，其具有以下化学式：mn
2.4
ga。
9.本技术的发明人出乎意料地发现，单晶mn
2.4
ga，在室温下表现为反铁磁性，并且在室温下具有大反常霍尔效应。
10.优选地，在本发明所述的具有大反常霍尔效应的反铁磁单晶合金中，所述mn
2.4
ga
为六方晶系，空间群为p63/mmc，空间群号为194。
11.优选地，在本发明所述的具有大反常霍尔效应的反铁磁单晶合金中，所述mn
2.4
ga的顺磁转变温度为tn＝435k，且所述mn
2.4
ga在室温下的霍尔电阻率为|ρh|＝2.15μωcm，在10k下的霍尔电阻率为|ρh|＝6μωcm。
12.优选地，在本发明所述的具有大反常霍尔效应的反铁磁单晶合金中，使用cu靶kα衍射，其以2θ角度表示的x射线粉末衍射图谱在41.40
°
、89.90
°
处具有衍射峰，2θ角度测量误差为
±
0.01
°
。
13.另一方面，本发明提供一种制备本发明的具有大反常霍尔效应的反铁磁单晶合金的方法，其包括如下步骤：
14.(1)将mn和ga单质按原子比2.4:1熔炼成合金；
15.(2)将步骤(1)所得的合金与助溶剂pb混合，并使混合物经受熔炼，最后通过离心分离助溶剂pb，制得具有大反常霍尔效应的反铁磁单晶合金。
16.优选地，在本发明所述的方法中，所述步骤(1)中的将mn和ga单质按原子比熔炼成合金是通过将mn和ga单质按原子比放入电弧炉中熔炼成合金而进行的。
17.优选地，在本发明所述的方法中，所述步骤(2)中的助溶剂pb的用量满足以下条件：mn与pb的原子比为1:9.4。
18.优选地，在本发明所述的方法中，所述步骤(2)中的使混合物经受熔炼是在以下条件下进行的：将混合物以80-120℃/h的速率升温至1100℃-1200℃，保温50-80h；随后将混合物以2-5℃/h降温至750℃，再以1-3℃/h降温至680℃-500℃。
19.优选地，在本发明所述的方法中，所述具有大反常霍尔效应的反铁磁单晶合金为具有金属光泽的厚度大于50μm的六角片且六角边长大于1mm。
20.在本发明的一个具体实施方案中，本发明的方法包括如下步骤：
21.a.将mn和ga单质按2.4:1的原子比放入电弧炉中熔炼成合金锭子；
22.b.以pb为助溶剂按mn、pb原子比1:9.4，将步骤a中制备的合金锭子与pb装入al2o3坩埚中，再将坩埚真空密封在石英管中；通过井式炉对石英管烧结进行单晶生长，井式炉生长温度程序为：以100℃/h的速率升温至1150℃，保温72h，随后以4℃/h降温至750℃，再以2℃/h降温至680℃，最后通过离心分离助溶剂即制得反铁磁mn
2.4
ga单晶。
23.又一方面，本发明提供本发明的具有大反常霍尔效应的反铁磁单晶合金或者本发明的方法制得的具有大反常霍尔效应的反铁磁单晶合金在霍尔元器件中的应用。
24.在本发明的一个具体实施方案中，所述霍尔元器件的制造方法为：
25.(1)沿(11-20)面切割mn
2.4
ga单晶，外磁场垂直于(11-20)面，使电流平行于[01-10]或[0001]，制得霍尔元器件；或者
[0026]
(2)沿(10-10)面切割mn
2.4
ga单晶，外磁场垂直于(10-10)面，使电流平行于[2-1-10]或[0001]，制得霍尔元器件。
[0027]
本发明具有以下有益效果：
[0028]
1.本发明提供一种通过助溶剂制备具有大反常霍尔效应的反铁磁单晶合金的方法，该方法简单、成本低廉。
[0029]
2.本发明的方法制备得到的mn
2.4
ga单晶，室温为反铁磁性，抗外场干扰能力强，几乎不产生杂散场。
[0030]
3.本发明的方法制备得到的mn
2.4
ga单晶，室温具有大反常霍尔效应。mn
2.4
ga在室温下的霍尔电阻率约为|ρh|＝2.15μωcm，电导率最大约为|σh|＝150ω-1
cm-1
；在10k下的霍尔电阻率约为|ρh|＝6μωcm，电导率约为|σh|＝527ω-1
cm-1
。
附图说明
[0031]
以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：
[0032]
图1是本发明一个具体实施方案制备单晶mn
2.4
ga的流程图；
[0033]
图2是本发明实施例1中mn
2.4
ga单晶的相关参数图：(a)为mn
2.4
ga单晶的光学照片，(b)为mn
2.4
ga单晶在(0001)面的xrd衍射图谱，(c)为mn
2.4
ga单晶的eds元素分析谱；
[0034]
图3是本发明实施例1中mn
2.4
ga单晶的磁性表征结果：(a)为单晶mn
2.4
ga的热磁曲线；(b)为室温下mn
2.4
ga单晶的磁场沿不同方向的磁化曲线；
[0035]
图4是本发明采用实施例1制得的单晶而制造的霍尔器件示意图及实物照片；(a)霍尔元器件制作示意图，(b)霍尔元器件实物照片；
[0036]
图5是本发明采用实施例1制得的单晶而制造的霍尔器件的霍尔信号输出曲线。
具体实施方式
[0037]
下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，给出的实施例仅为了阐明本发明，而不是为了限制本发明的范围。
[0038]
实施例1
[0039]
如图1所示，通过助溶剂法生长得到mn
2.4
ga单晶，其具体制备方法包括以下步骤：
[0040]
a.将mn和ga单质按2.4:1的原子比放入电弧炉中熔炼成合金锭子；
[0041]
b.以pb为助溶剂按mn、pb原子比1:9.4将步骤a中制备的合金锭子与pb装入坩埚中，再将坩埚真空密封在石英管中。通过井式炉对石英管烧结进行单晶生长，井式炉生长温度程序为：以100℃/h的速率升温至1150℃，保温72h，随后以4℃/h降温至750℃，再以2℃/h降温至680℃，最后通过离心分离助溶剂即制得反铁磁mn
2.4
ga单晶。
[0042]
形貌、结构及成分表征：
[0043]
图2是本发明实施例1中mn
2.4
ga单晶的相关参数图：(a)为mn
2.4
ga单晶的光学照片，(b)为mn
2.4
ga单晶在(0001)面的xrd衍射图谱，(c)为mn
2.4
ga单晶的eds元素分析谱。
[0044]
如图2(a)所示，本发明的制备方法可以获得毫米级的mn
2.4
ga晶体六角片，六角边长大于1mm，厚度大于50μm。
[0045]
如图2(b)所示，本发明制备的mn
2.4
ga晶体，通过xrd衍射仪对其(0001)面进行测试。结果表明该mn
2.4
ga单晶为六方晶系，属于p63/mmc空间群，所有衍射峰均为[0001]取向衍射峰，无杂峰，并与标准卡片一一对应。
[0046]
如图2(c)所示，本发明制备的mn
2.4
ga晶体经能量色散x射线光谱(eds)元素分析，表明其有mn、ga两种元素构成，无杂质元素。定量计算表明两种元素比例接近化学计量比2.4:1。
[0047]
磁性表征：
[0048]
图3是本发明实施例1中mn
2.4
ga单晶的磁性表征结果：(a)为单晶mn
2.4
ga的热磁曲线；(b)为室温下mn
2.4
ga单晶的磁场沿不同方向的磁化曲线。
[0049]
如图3(a)所示，mn
2.4
ga的热磁曲线表明，其顺磁转变温度tn＝435k。
[0050]
如图3(b)所示，室温下磁场沿晶体的不同方向测得的磁化曲线均表现出较弱的磁化强度，且磁化强度随磁场呈线性变化，表现出反铁磁性。
[0051]
霍尔元器件的制造及霍尔信号测量：
[0052]
图4是本发明采用实施例1制得的单晶而制造的霍尔器件示意图及实物照片；(a)霍尔元器件制作示意图，(b)霍尔元器件实物照片。
[0053]
如图4(a)所示，为霍尔元器件制造的结构示意图，制得的霍尔元器件实物照片如图4(b)所示。霍尔元器件的制造方法可分为两种：
[0054]
(1)沿(11-20)面切割mn
2.4
ga单晶，外磁场垂直于(11-20)面，使电流平行于[01-10]或[0001]，制得霍尔元器件；或者
[0055]
(2)沿(10-10)面切割mn
2.4
ga单晶，外磁场垂直于(10-10)面，使电流平行于[2-1-10]或[0001]，制得霍尔元器件。
[0056]
图5是本发明采用实施例1制得的单晶而制造的霍尔器件的霍尔信号输出曲线。如图5(a)所示，按本实施例制得的两种霍尔器件室温下测得的反常霍尔电阻率和电导率。室温下的霍尔电阻率最大约为|ρh|＝2.15μωcm，电导率最大约为|σh|＝150ω-1
cm-1
。10k下的霍尔电阻率最大约为|ρh|＝6μωcm，电导率最大约为|sh|＝527ω-1
cm-1
[0057]
上述实施例仅是对本发明的解释说明，并不是对本发明的限制，对本领域技术人员而言显而易见的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以对其作出其他各种变化和修改。因此，所附权利要求旨在覆盖落入本发明的保护范围内的所有这些变化和修改。

技术特征：
1.一种具有大反常霍尔效应的反铁磁单晶合金，其具有以下化学式：mn
2.4
ga。2.根据权利要求1所述的具有大反常霍尔效应的反铁磁单晶合金，其中，所述mn
2.4
ga为六方晶系，空间群为p63/mmc，空间群号为194。3.根据权利要求1所述的具有大反常霍尔效应的反铁磁单晶合金，其中，所述mn
2.4
ga的顺磁转变温度为435k，且所述mn
2.4
ga在室温下的霍尔电阻率为|ρ
h
|＝2.15μωcm，在10k下的霍尔电阻率为|ρ
h
|＝6μωcm。4.根据权利要求1所述的具有大反常霍尔效应的反铁磁单晶合金，其中，使用cu靶kα衍射，其以2θ角度表示的x射线粉末衍射图谱在41.40
°
、89.90
°
处具有衍射峰，2θ角度测量误差为
±
0.01
°
。5.一种制备权利要求1-4中任一项所述的具有大反常霍尔效应的反铁磁单晶合金的方法，其包括如下步骤：(1)将mn和ga单质按原子比2.4:1熔炼成合金；(2)将步骤(1)所得的合金与助溶剂pb混合，并使混合物经受熔炼，最后通过离心分离助溶剂pb，制得具有大反常霍尔效应的反铁磁单晶合金。6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述步骤(1)中的将mn和ga单质按原子比2.4:1熔炼成合金是通过将mn和ga单质按原子比2.4:1放入电弧炉中熔炼成合金而进行的。7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述步骤(2)中的助溶剂pb的用量满足以下条件：mn与pb的原子比为1:9.4。8.根据权利要求5所述的方法，其中，所述步骤(2)中的使混合物经受熔炼是在以下条件下进行的：将混合物以80-120℃/h的速率升温至1100℃-1200℃，保温50-80h；随后将混合物以2-5℃/h降温至750℃，再以1-3℃/h降温至680℃-500℃。9.根据权利要求5所述的方法，其中，所述具有大反常霍尔效应的反铁磁单晶合金为具有金属光泽的厚度大于50μm的六角片且六角边长大于1mm。10.权利要求1-4中任一项所述的具有大反常霍尔效应的反铁磁单晶合金或者权利要求5-9中任一项所述的方法制得的具有大反常霍尔效应的反铁磁单晶合金在霍尔元器件中的应用。

技术总结
本发明提供一种具有大反常霍尔效应的反铁磁单晶合金，其具有以下化学式：Mn


技术研发人员：宋林轩 李航 郗学奎 刘永昌 王文洪
受保护的技术使用者：中国科学院物理研究所
技术研发日：2023.07.27
技术公布日：2023/10/19