CN114395791A - 一种具有反常霍尔效应的反铁磁单晶Mn3Sn的制备方法及应用 - Google Patents
一种具有反常霍尔效应的反铁磁单晶Mn3Sn的制备方法及应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种具有反常霍尔效应的反铁磁单晶Mn3Sn的制备方法及应用，涉及凝聚态物理领域/电子信息技术领域，其技术方案要点是：通过自助溶剂法生长得到Mn3Sn晶体，将Mn和Sn按摩尔质量比7:3研磨混合均匀装入坩埚中，将坩埚装入石英管中，真空下密封；将密封好的石英管放置于箱式炉中烧结，通过100℃/h速率升温至1100℃，保温24h，然后以1℃/h的速率降温至900℃，保温12小时后，高温离心，去除多余助溶剂，即制得非共线反铁磁体Mn3Sn晶体。本发明利用自助溶剂法制得反铁磁Mn3Sn单晶，制备方法简单、成本低廉，制得的Mn3Sn单晶具备优良的晶体质量；且制得的Mn3Sn晶体在室温下为反铁磁，对磁场扰动不敏感，不易产生杂散磁场，在室温下有较大反常霍尔效应。
Description
技术领域
本发明涉及凝聚态物理领域/电子信息技术领域，更具体地说， 它涉及一种具有反常霍尔效应的反铁磁单晶Mn3Sn的制备方法及霍 尔器件应用。
背景技术
霍尔效应是凝聚态物理中的一个基本现象，它广泛用于确定样品 的载流子类型、载流子密度以及测量磁场强度等领域。1879年美国 物理学家霍尔，在通电的导体材料中施加垂直方向磁场，在与电流垂 直的横向方向上观察到一个电压值，他提出这主要是因为产生电流的 电子受到洛伦兹力，使其向导体两侧移动，从而产生电荷积累，出现 了霍尔效应。1881年，霍尔在铁磁性二维金属中发现了比非磁性材 料大几十倍的霍尔效应，并且这种行为在零磁场或一个很微小的磁场 下就可以观测到，这个零磁场下的霍尔效应便是反常霍尔效应。
人们发现这种效应与铁磁材料的磁化强度成正比，因此仅在铁磁 体中观察到了反常霍尔效应。但是，从本质上讲，由于贝里曲率引起 的虚拟场可以导致另一种反常霍尔效应的产生，故而，反常霍尔效应 也在反铁磁体中出现。由于其潜在的应用前景，反铁磁体吸引了越来 越多的关注，特别是在自旋电子学领域，引起了浓厚的研究与应用兴 趣。与迄今为止主要使用的铁磁霍尔器件相比，反铁磁体霍尔器件对 磁场扰动更加不敏感，从而为数据保持提供了更高的稳定性。此外， 反铁磁体几乎不会产生干扰相邻单元的杂散磁场，从而消除高密度存 储器集成的障碍。而且，反铁磁体的自旋动力学要比铁磁体快得多， 这为超快速数据处理开辟了新途径。
目前，现有技术制备方法制得的反铁磁体单晶的质量较低，且制 得的反铁磁体单晶在室温下的反常霍尔效应较小。鉴于此，本发明旨 在设计提供一种具有反常霍尔效应的反铁磁单晶Mn3Sn的制备方法， 利用该方法可获得一种高质量，且室温下具有较大反常霍尔效应的反 铁磁单晶材料。
发明内容
本发明的目的是基于解决现有技术中的技术问题，提供一种具有 反常霍尔效应的反铁磁单晶Mn3Sn的制备方法及应用，本发明的方法 利用自助溶剂法制备得反铁磁Mn3Sn单晶，其制备方法简单、成本低 廉，且制备的Mn3Sn单晶具有优良的晶体质量；并且，制备的Mn3Sn 晶体在室温下表现为反铁磁，对磁场扰动不敏感，几乎不会产生杂散 磁场，在室温下具有较大反常霍尔效应。
本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种具 有反常霍尔效应的反铁磁单晶Mn3Sn的制备方法，所述的反铁磁体材 料为Mn3Sn单晶，具体包括以下步骤：
S1、将Mn和Sn按摩尔质量比7:3的比例进行混合研磨，并研磨 混合均匀，制得混合粉末；
S2、将步骤S1中制得的混合粉末装入氧化铝坩埚中，然后将氧 化铝坩埚装入石英管中，并在真空环境下密封石英管；将密封好的石 英管放置于箱式炉中烧结，并设置箱式炉的生长温度程序，通过100℃/h速率升温至1100℃，保温24h，然后以1℃/h的速率降温至900℃， 保温12小时后，高温离心，去除多余助溶剂，即制得反铁磁Mn3Sn 单晶。
进一步地，所述Mn3Sn单晶为六方晶系，且所述Mn3Sn单晶属于 P63/mmc空间群。
进一步地，所述Mn3Sn单晶的反铁磁转变温度TN＝425K，且所述 Mn3Sn单晶在室温下具有反常霍尔效应。
进一步地，步骤S1至步骤S2制得的Mn3Sn单晶为具有金属光泽 的六棱柱，且所述Mn3Sn单晶的尺寸大于等于1×1×3mm。
本发明还提供一种具有反常霍尔效应的反铁磁单晶Mn3Sn的制备 方法的应用，将步骤S1至步骤S2制得的Mn3Sn单晶用于霍尔元器件 的制造。
进一步的，所述霍尔元器件的制造方法为一种方法是沿
面切割Mn3Sn单晶，并进行机械抛光，使电流平行于[0001]方向，外 加磁场垂直于
面，制作得霍尔元器件。第二种方法是沿着
方向，外加磁场垂直于
面，电流平行于
方向，制作 得霍尔元器件。
进一步地，所述霍尔元器件的霍尔电阻|ρH|＝4μΩcm，霍尔电导 率σH＝2μΩ-1cm-1，矫顽力Hc＝450Oe。
综上所述，本发明具有以下有益效果：
1、本发明的方法利用自助溶剂法制备得反铁磁Mn3Sn单晶，其 制备方法简单、成本低廉，且制备的Mn3Sn单晶具有优良的晶体质量；
2、本发明的方法制备的Mn3Sn晶体在室温下表现为反铁磁性， 对磁场扰动不敏感，几乎不会产生杂散磁场；
3、本发明的方法制备的Mn3Sn单晶，室温下具有较大反常霍尔 效应，其霍尔电阻|ρH|＝4μΩcm，大于过渡金属元素铁磁体相应值；
4、本发明的制备方法能够应用于霍尔器件的制造，使得制备的 霍尔元器件在室温下具较大且稳定的反常霍尔效应。
附图说明
图1是本发明实施例中的流程图；
图2是本发明实施例中Mn3Sn单晶性能参数图((a)为Mn3Sn单 晶的光学照片，(b)为Mn3Sn单晶的EDS元素分析图谱，(c)为 Mn3Sn单晶
面的XRD图谱；(d)为Mn3Sn单晶的电阻率- 温度曲线图)；
图3是本发明实施例中的霍尔电阻条元件示意图；
图4是本发明实施例中制得的霍尔元器件的霍尔信号输出曲线。
具体实施方式
以下结合附图1-4对本发明作进一步详细说明。
实施例：一种具有反常霍尔效应的反铁磁单晶Mn3Sn的制备方法， 如图1所示，该反铁磁材料为Mn3Sn单晶，该Mn3Sn单晶为六方晶系， 属于P63/mmc空间群，通过自助溶剂法生长得到Mn3Sn晶体，其具体 制备方法包括以下步骤：
S1、将Mn和Sn按摩尔质量比7:3的比例进行混合研磨，并研磨 混合均匀，制得混合粉末。
S2、将步骤S1中制得的混合粉末装入氧化铝坩埚中，然后将氧 化铝坩埚装入石英管中，并在真空环境下密封石英管。将密封好的石 英管放置于箱式炉中烧结，并设置箱式炉的生长温度程序，通过 100℃/h速率升温至1100℃，保温24h，然后以1℃/h的速率降温至900℃，保温12小时后，高温离心，去除多余助溶剂，即制得反 铁磁Mn3Sn单晶。
其中，Mn3Sn单晶的反铁磁转变温度TN＝425K，且Mn3Sn单晶在 室温下具有反常霍尔效应。
其中，步骤S1至步骤S2制得的Mn3Sn单晶为具有金属光泽的六 棱柱，且Mn3Sn单晶的尺寸大于等于1×1×3mm。
在本实施例中，本发明的制备方法制得的Mn3Sn单晶能够应用于 霍尔元器件的制造。
其中，霍尔元器件的制造方法为为2种：一是沿
面切割 Mn3Sn单晶，并进行机械抛光，使电流平行于[0001]方向，然后外加 磁场垂直于Mn3Sn单晶的
面，制作得霍尔元器件；二是沿着 
方向，外加磁场垂直于
面，电流平行于
方向，制作 得霍尔元器件。
如图4所示，本发明实施例中制造的霍尔元器件的霍尔电阻 |ρH|＝4μΩcm，霍尔电导率σH＝32μΩ-1cm-1，矫顽力Hc＝450Oe。
在本实施例中，步骤S1中的Mn和Sn采用高纯(99.99％)的Mn 和Sn粉作为原料,生长晶体所用的坩埚为刚玉坩埚，石英管由高纯 石英制备。
如图2(a)所示，本发明的制备方法可获得毫米级的Mn3Sn晶体， 六棱柱，典型尺寸为1*1*3mm左右。
如图2(b)所示，本发明制得的反铁磁体Mn3Sn晶体，经能量色散 X射线光谱(EDS)元素分析，表明晶体由Mn、Sn两种元素组成，无杂 质元素，定量计算表明两种元素比例接近化学计量比3:1。
如图2(c)所示，本发明的方法制备的Mn3Sn晶体经X射线衍射测 试(XRD)分析，判断出
晶面。所有衍射峰均为
峰， 没有出现杂峰，衍射峰与标准卡片一一对应。
如图2(d)所示，从2K到300K，Mn3Sn晶体的电阻率-温度曲线 表现出了金属特性。
如图3所示，沿
面切割单晶，并抛光，制作霍尔元件， 外加磁场垂直于
面，电流平行于[0001]方向；或者沿
方 向，外加磁场垂直于
面，电流平行于
方向。
通过本发明的上述实施例，本发明利用自助溶剂法制备得反铁磁 Mn3Sn单晶，其制备方法简单、成本低廉，且制备的Mn3Sn单晶具有 优良的晶体质量；并且，其在室温下表现为反铁磁，对磁场扰动不敏 感，几乎不会产生杂散磁场；在室温下具有较大反常霍尔效应，其霍 尔电阻大于过渡金属元素铁磁体的相应值；此外，本发明的制备方法 能够应用于霍尔器件的制造，使得制备的霍尔元器件在室温下具较大 且稳定的反常霍尔效应。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限 制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做 出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到 专利法的保护。
Claims (7)
1.一种具有反常霍尔效应的反铁磁单晶Mn3Sn的制备方法，其特征是：所述的反铁磁体为Mn3Sn单晶，具体包括以下步骤：
S1、将Mn和Sn按摩尔质量比7:3的比例进行混合研磨，并研磨混合均匀，制得混合粉末；
S2、将步骤S1中制得的混合粉末装入氧化铝坩埚中，然后将氧化铝坩埚装入石英管中，并在真空环境下密封石英管；将密封好的石英管放置于箱式炉中烧结，并设置箱式炉的生长温度程序，通过100℃/h速率升温至1100℃，保温24h，然后以1℃/h的速率降温至900℃，保温12小时后，高温离心，去除多余助溶剂，即制得反铁磁Mn3Sn单晶。
2.根据权利要求1所述的一种具有反常霍尔效应的反铁磁Mn3Sn单晶的制备方法，其特征是：所述Mn3Sn单晶为六方晶系，且所述Mn3Sn单晶属于P63/mmc空间群。
3.根据权利要求1所述的一种具有反常霍尔效应的反铁磁Mn3Sn单晶的制备方法，其特征是：所述Mn3Sn单晶的反铁磁转变温度TN＝425K，且所述Mn3Sn单晶在室温下具有反常霍尔效应。
4.根据权利要求1所述的一种具有反常霍尔效应的反铁磁单晶Mn3Sn的制备方法，其特征是：步骤S1至步骤S2制得的Mn3Sn单晶为具有金属光泽的六棱柱，且所述Mn3Sn单晶的尺寸大于等于1*1*3mm。
5.根据权利要求1至4任意一项所述的一种具有反常霍尔效应的反铁磁单晶Mn3Sn的制备方法的应用，其特征是：将步骤S1至步骤S2制得的Mn3Sn单晶用于霍尔元器件的制造。
6.根据权利要求5所述的一种具有反常霍尔效应的反铁磁单晶Mn3Sn的制备方法的应用，其特征是：所述霍尔元器件的制造方法为：沿
面切割Mn3Sn单晶，并进行机械抛光，使电流平行于[0001]方向，外加磁场垂直于
面，制作得霍尔元器件。
7.根据权利要求6所述的一种具有反常霍尔效应的反铁磁单晶Mn3Sn的制备方法的应用，其特征是：所述霍尔元器件的霍尔电阻|ρH|＝7.2μΩcm，霍尔电导率σH＝50μΩ-1cm-1，矫顽力Hc＝450Oe。
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| WO2024090370A1 (ja) * | 2022-10-28 | 2024-05-02 | 国立研究開発法人理化学研究所 | 磁壁移動素子、メモリデバイス及びデータ書込み方法 |
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| Pashkova et al. | Magnetically soft semiconductor InSb< Mn, Zn> with the Curie temperature of 320 K | |
| Hüser et al. | Magnetic clusters in dilutions of EuS |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20220426 |
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| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |