日本東京工業大學科學技術創成研究院前緣材料研究所的重松圭助教、清水啓佑博士研究員、Hena Das特任副教授和東正樹教授等人組成的研究團隊，與神奈川縣立產業技術綜合研究所（KISTEC）合作，利用錳、銅、鈰、氧成功合成了高品質的超高壓相氧化物（CeCu3Mn4O12）薄膜。
研究團隊透過基於實驗的合成和基於第一性原理計算的預測，調查了應變對CeCu3Mn4O12薄膜晶格的影響，發現透過在面内施加壓縮應變，可以形成垂直度磁化膜。垂直度磁化膜是高記錄密度磁記憶體和自旋電子器件等的重要特性，今後有望利用該薄膜開發新的電磁功能材料。
相關研究論文已於10月22日發表在美國化學學會的期刊《Applied Electronic Materials》的網路版上。
研究背景
AA’3B4O12型四重鈣鈦礦氧化物（圖1）近來接連被發現擁有巨大的順電性、電荷轉移特性、負熱膨脹特性、催化功能及半金屬特性等。四重鈣鈦礦氧化物具有非常緻密的結構，因此非常適合採用高壓合成法來合成，相關研究在近幾年取得了快速進展。不過，高壓合成法成本比較高，而且一次合成能獲得的量有限，因此要想使上述功能投入實用，需要利用更簡單的合成方法獲得高品質材料。
圖1：AA’3B4O12型四重鈣鈦礦的晶體結構
研究團隊利用脈衝雷射沉積法，把室溫亞鐵磁材料——由錳、銅、鈰、氧構成的四重鈣鈦礦型氧化物（CeCu3Mn4O12）製成了薄膜狀。透過最適化基底層的種類和晶體成長溫度等參數，在鈣鈦礦氧化物YAlO3（鋁酸釔）基底層上獲得了高品質薄膜。
另外，研究小組調查該薄膜的磁各向異性發現，在薄膜面内拉伸最大的方向產生了很強的單軸磁異向性。研究團隊利用第一性原理計算再現了與受到應變的薄膜相同的CeCu3Mn4O12晶體，並計算了其磁各向異性能量，發現易磁化軸朝向晶格延伸的方向時，在能量方面比較有利，獲得了與實驗一致的結果。根據這些結果可以預測，如果向CeCu3Mn4O12薄膜施加壓縮應變，晶體方向主要被拉向與薄膜垂直度的方向，會形成垂直度磁化膜。
要想實施受到壓縮應變的CeCu3Mn4O12薄膜，需要使用晶格比CeCu3Mn4O12小的物質作爲基底，但目前還沒有合適的基底層。因此，研究團隊透過在薄膜與基底層之間插入面内晶格常數更小、結構與鈣鈦礦類似的YCaAlO4（鋁酸釔鈣）作爲緩衝層，成功將施加給薄膜的應變由拉伸變成了壓縮。利用該薄膜調查磁特性發現，面内方向的單軸磁異向性消失，同時面垂直度方向的磁各向異性強化，實施了垂直度磁化膜。
圖2：四重鈣鈦礦氧化物AA’3B4O12的晶體結構
利用不同基底控制晶格應變的CeCu3Mn4O12薄膜的示意圖（左）和磁化測量（右）。磁化測量是沿着圖中定義的a、b、c軸分別施加外部磁場的結果。曲線在縱軸方向最接近長方形的就是易磁化軸。YAlO3基底層上的CeCu3Mn4O12薄膜本來是拉伸強度最大的面内a軸方向爲易磁化軸，但透過插入YCaAlO4層，c軸變成易磁化軸。
論文資訊
論文題目：Strain Manipulation of Magnetic Anisotropy in Room-Temperature Ferrimagnetic Quadruple Perovskite CeCu3Mn4O12
發表期刊：《Applied Electronic Materials》
DOI：10.1021/acsaelm.9b00547 outer
文：JST客觀日本編輯部翻譯整理
