새로운 합금의 자기 모멘트 증강의 기원 이해

자성 재료는 데이터 저장 장치, 전기 모터, 자기 센서와 같이 현대 사회를 지원하는 다양한 기술에 없어서는 안 될 요소가 되었습니다. 고자화 강자성체는 차세대 스핀트로닉스, 센서, 고밀도 데이터 저장 기술의 개발에 특히 중요합니다. 이러한 재료 중에서 철-코발트(Fe-Co) 합금은 강력한 자기적 특성으로 인해 널리 사용됩니다. 그러나 성능을 얼마나 향상시킬 수 있는지에 한계가 있어 새로운 접근 방식이 필요합니다.

일부 초기 연구에서는 더 무거운 원소로 도핑된 Fe-Co 합금으로 구성된 에피택셜 성장 필름이 현저히 높은 자화를 보인다는 것을 보여주었습니다. 게다가 기계 학습과 ab initio 계산을 통합하는 것과 같은 계산 기술의 최근 발전으로 인해 새로운 재료 조성에 대한 검색이 상당히 가속화되었습니다.

이리듐(Ir) 도핑 Fe-Co 합금(Fe-Co-Ir)은 기계 학습을 통해 식별된 그러한 재료 중 하나로, 자기장의 강도와 방향을 나타내는 큰 자기 모멘트를 가지고 있는 것으로 나타났으며, 이는 기존 Fe-Co 합금의 자기 모멘트를 능가합니다. 그러나 이러한 향상된 자기적 특성의 근원을 식별하는 것은 상당한 과제였습니다. 특히, Fe-Co 합금의 자기적 특성에 대한 Ir 도핑의 효과는 여전히 잘 이해되지 않았습니다.

이러한 과제를 극복하기 위해 도쿄 과학 대학(TUS) 재료 과학 및 기술부의 조교수 타카히로 야마자키가 이끄는 연구팀은 새로운 접근 방식을 구현했습니다. 그들은 조성적으로 등급이 매겨진 단결정 박막에 고처리량 X선 자기 원형 이색성(XMCD)을 활용했습니다.

조교수 야마자키는 "다결정 박막을 사용한 이전 연구와 달리, 우리는 조성적으로 등급이 매겨진 단결정 Fe-Co-Ir 박막을 활용하여 향상된 자기적 특성의 메커니즘을 조사할 수 있는 보다 통제된 환경을 제공했습니다. 또한 세계 최대의 싱크로트론 방사선 시설인 SPring-8을 사용하여 XMCD 측정을 수행하여 자기적 특성을 체계적으로 조사했습니다."라고 설명했습니다.

팀에는 TUS의 Takahiro Kawasaki와 Masato Kotsugi 교수, 국립재료과학연구소(NIMS)의 Yuma Iwasaki 박사와 Yuya Sakuraba 박사, 일본 싱크로트론 방사선 연구소의 Naomi Kawamura 박사, 효고대학교의 Takuo Ohkochi 교수도 포함되었습니다. 그들의 연구는 2025년 3월 12일 Physical Review Materials 저널에 게재되었습니다.

NIMS의 첨단 기술을 사용하여 연구팀은 먼저 순수한 Fe-Co 합금으로 구성된 한쪽 끝에서 11at% Ir이 포함된 Fe-Co 합금으로 구성된 다른 쪽 끝까지 Ir 도핑 양이 선형적으로 증가하는 조성적으로 등급이 매겨진 박막을 제작했습니다. 그런 다음 팀은 연질 및 경질 X선을 모두 사용하여 이러한 필름에 대한 X선 자기 원형 이색성(XMCD) 측정을 수행했습니다. 연질 X선은 경질 X선보다 에너지가 낮기 때문에 Fe 및 Co와 같은 가벼운 금속을 연구하는 데 더 적합한 반면, 경질 X선은 Ir과 같은 중금속을 연구하는 데 더 적합합니다. 이 접근 방식은 각 원소가 재료의 자기적 거동에 미치는 영향을 보다 자세히 이해할 수 있게 해주었습니다.

결과는 Ir 도핑으로 인해 Fe와 Ir 모두의 자기 모멘트가 상당히 향상되었음을 보여주었습니다. Fe의 자기 모멘트는 11 at% Ir 농도에서 1 at% Ir 농도에 비해 1.44배, Ir은 1.54배 증가했습니다. 이러한 향상의 원인을 더욱 검증하고 이해하기 위해 팀은 ab initio 계산을 수행했습니다. Fe와 Co는 3d 전이 금속으로 알려진 원소 계열에 속하며, 가장 바깥쪽 전자는 3d 원자 궤도를 차지하는 반면 Ir은 5d 전이 금속에 속합니다.

이론적 분석은 실험 결과를 뒷받침했으며 Ir 첨가가 Fe 및 Co의 3d 전자와 Ir의 5d 전자 사이의 전자 국소화 증가와 더 강한 스핀-궤도 결합으로 이어진다는 것을 밝혔습니다. 이 상호 작용은 주로 궤도 자기 모멘트의 증가된 기여를 통해 향상된 자기 모멘트를 초래합니다.

"이 연구 결과는 Fe-Co-Ir 합금의 자기적 특성을 향상시키는 데 Ir이 중요한 역할을 한다는 것을 강조합니다." 야마자키 조교수가 언급했습니다. "저희의 효율적이고 처리량이 높은 재료 평가 워크플로와 이론적 분석 방법은 고성능 강자성 재료를 설계하는 기반이 될 것입니다. 이를 통해 고효율 전기 모터와 차세대 고밀도 데이터 저장 장치를 개발할 수 있으며, 궁극적으로 환경 영향을 줄이고 보다 지속 가능한 사회에 기여할 수 있습니다." 그는 결론지었습니다.

또한, Ir이 포함된 Fe-Co 합금은 필수적인 테스트 단계를 거쳐 상업적으로 이용 가능한 효율적인 전자 장치를 설계하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이 합금은 비용 효율적인 데이터 저장 장치를 개발하는 데 잠재적으로 구현될 수 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/03/250314113811.htm