KR20210010876A - 희토류 무 금속 경질 자석 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 일반적 조성물 XaX'bYcZd를 갖느 금속간 화합물을 함유하는 경질 자석에 관한 것이다. 상기 X 및 X'는 홀전자를 가지는 3d 전이 금속을 서로 독립적으로 나타내고; 상기 Y는 5, 8, 9 또는 10족의 4d 또는 5d 전이 금속이고; 상기 Z는 13, 14 또는 15족의 주족 원소이며; 상기 a 및 d는 0.1 내지 2.0 사이의 수를 서로 독립적으로 나타내고; 상기 b 및 c는 0.0 내지 2.0 사이의 수를 서로 독립적으로 나타내며; 이러한 a+b+c+d는 3.0 내지 4.0 사이이다.
Description
본 발명은 경질 자석으로도 알려진 영구 자기 특성을 가지는 재료에 관한 것이다. 우수한 경질 자석(hard magnet) 또는 영구 자석은 높은 자기장을 생성하고 자기를 제거하는 외부 힘을 견뎌야하며 기계적으로 견고하여야 한다.
영구 자성 재료는 예를 들어 의료 진단, 자기 회로 및 스핀트로닉스와 같은 삶의 많은 영역에서 중요한 역할을 한다.
일반적으로 경자성 재료는 높은 잔류자기 및 높은 보자력을 특징으로 하는 강자성 재료이다.
강자성 물질이 한 방향으로 자화되면 부과된 자기장(magnetizing field)이 제거될 때 자화가 0으로 이완되지 않는다. 제로(0) 부과 유지되는 자화의 양을 잔류자기라고 한다. 자화를 다시 0으로 되돌리려면 반대 방향의 자기장이 적용되어야 한다. 자기소거에 필요한 반대 자기장의 양을 보자력이라고 한다. 교번 자기장이 재료에 적용되면 자화는 히스테리시스 루프라는 루프를 따른다. 이 히스테리시스 현상은 자구 ("Weiss domains")의 존재와 관련이 있다. 일부 강자성 재료는 부과된 자화를 거의 무한정 유지하므로 "영구 자석"으로 유용하다.
특히 중요한 것은 잠재적인 영구 자석으로 간주하기 위한 자성 재료의 세 가지 고유한 특성이다:
- 강자성체 또는 페리자성체의 협동 자기(cooperative magnetism)가 사라지는 퀴리 온도 (TC),
- 에너지 밀도 (BH)max에 결정적인 포화 자화 (Ms), 및
- 일반적으로 영구 자석의 잠재적 보자력의 상한을 나타내는 이방성 자기장 Ba로 표시되는 단축(uniaxial) 자기결정이방성.
현재 가장 많이 사용되는 고성능 영구 자석은 사마륨과 코발트 (Sm-Co)와 네오디뮴, 철과 붕소 (Nd-Fe-B, 예를 들어 Nd2Fe14B)의 희토류 금속 화합물이며, 후자는 약 1.2T의 보자력, 약 1.2T의 잔류자기 및 약 400kJm-3인 (BH)max의 최대 에너지 밀도를 가진다. 그러나 디스프로슘 또는 프라세오디뮴은 부식 안정성 및 고유 보자력을 향상시키기 위해 필요하다. 이러한 희토류 원소는 제한된 자원으로 인해 “전략적 재료”이다. 이들의 가용성은 정치적 제약의 영향을 받는다. 또한 이들 재료의 부식에 대한 민감성 때문에 사용 온도는 200℃ 미만으로 제한된다.
지금까지 강력한 희토류 영구 자석에 대한 실질적 상업적 대안은 없으며 그 이유는 이들의 자기 특성으로 인해 이전에 알려진 모든 시스템 보다 우수하기 때문이다. 이들은 높은 자기 이방성을 가지고 있는데, f-껍질의 전자가 리간드장으로부터 차폐되어 쉘의 궤도 운동량이 그 이점을 보여주기 때문이다. 또한, 이들은 높은 국부적 자기 모멘트를 나타낼 수 있으며, 이는 추가적으로 높은 포화 자화를 허용한다.
희토류 금속이 없는 대안은 페라이트이고, 이들은 대규모로 생산되고 일반적으로 40kJm-3 미만의 (BH)max의 에너지 밀도를 가진다. 이들의 사용은 에너지 밀도가 낮고 비용이 저렴하며 최대 작동 온도가 250℃인 적용으로 제한된다.
또 다른 대안은 (BH)max가 약 80kJm-3인 ALNICO 자석이다. 희토류 무 금속 합금의 상대적으로 높은 (BH)max는 약 1.1T의 높은 잔류자기 때문이다. 그러나 μ0Hc ~ 0.14T의 보자력(coercive field strength)은 상대적으로 작기 때문에 ALNICO 자석은 작은 자기장의 강도에서도 비가역적 손실의 위험을 감수한다는 것을 의미한다. 또한 벌크 재료는 취성이 강하기 때문에 기계적으로 깨지기 쉽다. 그러나 이들의 최대 550℃의 높은 작동 온도는 매우 유리하다.
MnAl 기반 자석은 현재 약 280℃의 퀴리 온도에서 약 60kJm-3의 (BH)max에 도달한다. 이들의 잔류자기 및 보자력은 약 0.6T의 μ0Mr 및 약 0.4T의 μ0Hc에 해당한다. 이들은 "중요한(critical)" 원소를 포함하지 않으므로 상대적으로 저렴하다. 또한 밀도가 약 5gcm-3으로 비교적 가볍지만 보자력이 0.5T 이하로 매우 작다.
벌크 자석(Bulk magnet) 및 (BH)max ~ 50 kJm-3까지의 박막 형태의 자석도 MnBi으로부터 제조될 수 있다. MnBi의 경자성 특성은 육방 결정 구조의 단축 대칭, 이의 평면 외 자화 및 무거운 Bi의 강력한 스핀-궤도 결합에 기반한다.
정방형 구조 유형 L10에서 결정화되는 CoPt 또는 FePt와 같은 이원 화합물은 2T의 보자력을 나타낼 수 있다. 그러나 높은 백금 함량은 경제적으로 불리하다.
또한 일부 호이슬러(Heusler) 화합물은 경자성 특성을 보유하는 것으로 알려져 있다. 호이슬러 화합물은 화학식 X2YZ 또는 XYZ의 삼원 금속간 화합물이며, 후자는 반-호이슬러(half-Heusler) 화합물로도 알려져 있으며, 상기 X 및 Y는 일반적으로 전이 금속이고 Z는 주족 원소이다. 호이슬러 합금의 부류에는 강자성 또는 페리자성일 수 있는 1000개 이상의 화합물이 포함되어 있지만, 이들을 이루는 원소가 반드시 이러한 자기 특성을 가지고 있는 것은 아니다. 호이슬러 화합물의 정방정계의 구성은 고유한 단축 대칭으로 인해 높은 자기결정이방성을 나타낼 수 있다. 정방형 화합물은 일반적으로 페리자성이기 때문에 낮은 포화 자화만을 나타내므로 잔류자기가 낮다.
희토류 영구 자석의 추가 개발 및 개선 외에도 (BH)max가 100 내지 300kJ·m-3 범위인 페라이트 및 Nd-Fe-B 사이의 갭을 좁히는 새로운 시스템에 대한 연구는 미래 기술을 위한 중요한 단계이다.
본 발명의 목적은 희토류 금속을 함유하지 않고 동시에 높은 보자력, 높은 잔류자기 및 높은 에너지 밀도 (기존의 비-희토류 금속을 함유하는 경질 자석에 비해)를 나타내는 경자성 재료를 제공하는 것이다.
앞선 문제는 일반적인 조성물 XaX'bYcZd의 육방 또는 삼방 대칭을 갖는 희토류 무 금속 삼원, 금속간 화합물에 의해 해결된다.
상기 X 및 X'는 총 스핀이 높은 3d 전이 금속, 즉 홀전자를 갖는 Mn, Fe, Co, Ni와 같은 것을 나타내고;
상기 Y는 높은 스핀-궤도 결합 (SOC)을 특징으로 하는 Ru, Rh, Pd, Pt, Ir, Ag, Au, Nb 또는 Ta와 같은 5, 8, 9 또는 10족의 4d 또는 5d 전이 금속이고;
상기 Z는 Al, Ga, In, Ge, Sn, As, Sb 또는 Bi와 같은 13, 14 또는 15족의 주족 원소이며, 상기 이들 원소의 더 높은 동족체 (In, Sn, Sb 또는 Bi)는 또한 높은 스핀-궤도 결합 (SOC)으로 특징되고;
상기 a 및 d는 0.1 내지 2.0 사이의 수를 나타내고;
상기 b 및 c는 0.0 내지 2.0 사이의 수를 나타내고;
이러한 a+b+c+d는 3.0 내지 4.0 사이이다.
따라서, 전체적으로 XaX'bYcZd는 조성물이 호이슬러 화합물과 반-호이슬러 화합물 사이에 있는 금속간 화합물을 나타낸다.
이러한 새로운 화합물은 높은 단축 자기결정이방성이 특징이다. 따라서 이들은 보자력이 높은 희토류가 없는 영구 자성 재료의 제조에 적합하다.
도 1은 사파이어 지지체 (Al2O3)의 (001) 표면에서 서로 다른 온도에서 성장한 22nm 박층의 Mn1.5PtGa 및 44nm 박층의 Mn1.08Fe0.58Pt1.19Ga에 대한 실온 X선 분말 회절도(X-ray powder diffractogram)를 나타낸다: a) 200℃; b) 300℃; c) 400℃; d) 300℃
도 2는 a) 기판으로서 사파이어 (001)상의 Mn1.5PtGa의 박층에 대한 냉각 및 0.05T에서의 자화의 온도 의존성; b) 20K에서 평면 외 (out-of-plane, OP) 및 평면 내 (in-plane, IP) 히스테리시스 곡선; c) 200K에서 평면 외 (OP) 및 평면 내 (IP) 히스테리시스 곡선; d) 다양한 온도 (20, 50, 100, 150 및 200K)에서 사파이어 기판에 증착된 22nm 박층의 Mn1.5PtGa의 평면 외 히스테리시스 곡선을 나타낸다.
도 3은 사파이어 (001) 캐리어상에 300℃에서 도포된 44nm 두께의 Mn1.08Fe0.58Pt1.19Ga 박층; a) 0.1T의 외부 자기장에서 냉각에서의 자화의 온도 의존성; b) 50K 및 300K에서 평면 외 (OP) 히스테리시스 곡선을 나타낸다.
도 2는 a) 기판으로서 사파이어 (001)상의 Mn1.5PtGa의 박층에 대한 냉각 및 0.05T에서의 자화의 온도 의존성; b) 20K에서 평면 외 (out-of-plane, OP) 및 평면 내 (in-plane, IP) 히스테리시스 곡선; c) 200K에서 평면 외 (OP) 및 평면 내 (IP) 히스테리시스 곡선; d) 다양한 온도 (20, 50, 100, 150 및 200K)에서 사파이어 기판에 증착된 22nm 박층의 Mn1.5PtGa의 평면 외 히스테리시스 곡선을 나타낸다.
도 3은 사파이어 (001) 캐리어상에 300℃에서 도포된 44nm 두께의 Mn1.08Fe0.58Pt1.19Ga 박층; a) 0.1T의 외부 자기장에서 냉각에서의 자화의 온도 의존성; b) 50K 및 300K에서 평면 외 (OP) 히스테리시스 곡선을 나타낸다.
본 발명에 따른 삼원, 금속간 화합물은 육방 또는 삼방 결정 구조를 가진다. 이 대칭의 결정 구조가 고유한 단축 대칭으로 인해 결정 이방성의 기준을 충족시키기 때문에 이것은 중요한 특징이다. 본 발명의 화합물에서 이 결정 이방성은 4d 및 5d 원소 (전이 금속 또는 주족 원소)의 뚜렷한 스핀-궤도 결합과 결합된다. 그 결과, 이들 화합물은 자기결정이방성으로 인해 형상 이방성(shape anisotropy)이 없는 경우에도 강한 자기 이방성을 나타낸다.
본 발명의 금속간 화합물은 일반적인 조성물 XaX'bYcZd를 가지므로 조성적으로 호이슬러 화합물과 반-호이슬러 화합물 사이에 위치한다.
호이슬러 화합물은 일반적 조성물 X2YZ의 금속간 화합물이며 L21 구조 유형으로 결정화된다 (Pearson's Handbook of Crystallographic Data for Intermetallic Phases, ASM International, The Materials Information Society, 1991). 일반적으로 금속간 화합물은 하기와 같은 화합물이다.
a) 둘 이상의 실제 금속(true metal) (T1 및 T2) 사이
b) 하나 이상의 실제 금속 및 B 분족의 하나 이상의 실제 금속 사이
c) B 분족의 둘 이상의 금속 사이
이러한 화합물의 특성은 a)에서 c)로 이동할 때 금속성이 떨어지고 실질적인 화합물과 점점 유사해진다. 실제 금속 및 B 분족의 원소로의 분류는 R.C. Evans의 표 13.1에서 따온 것이다. (Introduction to Crystal Chemistry, Walter de Gruyter Verlag Berlin New York 1976 p. 276):
란타나이드 및 악티니드(actinide) 계열의 금속은 T2 부류에 속한다. 호이슬러 화합물에서 X2YZ, X 및 Y는 주로 전이 금속 원소 (상기 표의 T2)이며, 때때로 Y는 희토류 원소이기도 하다. Z는 비자성 금속 또는 비금속 (B1 또는 B2)이다. 본 발명의 금속간 화합물은 일반적 조성물 XaX'bYcZd를 가진다. 이러한 호이슬러 화합물 및 반-호이슬러 화합물에서 각각
X 및 X'는 총 스핀이 높은, 즉 홀전자를 가진 3d 전이 금속, 바람직하게는 Mn, Fe, Co 또는 Ni를 나타내며;
Y는 5, 8, 9 또는 10족의 4d 또는 5d 전이 금속이고, 이들 금속은 높은 스핀-궤도 결합 (SOC)으로 특징되며, 바람직하게는 Ru, Rh, Pd, Pt, Ir, Ag, Au, Nb 또는 Ta이고;
Z는 13, 14 또는 15족의 주족 원소이고, 바람직하게는 Al, Ga, In, Ge, Sn, As, Sb 또는 Bi이며, 상기 이들 원소의 더 높은 동족체 (In, Sn, Sb 또는 Bi)도 높은 스핀-궤도 결합 (SOC)으로 특징되고;
a 및 d는 0.1 내지 2.0 사이의 수를 나타내고;
b 및 c는 0.0 내지 2.0 사이의 수를 나타내며;
a+b+c+d는 3.0 내지 4.0 사이이다.
본 발명의 호이슬러 화합물에서 매개 변수 a, b, c 및 d는 0.1 내지 2.0 (a 및 d의 경우) 및 0.0 내지 2.0 (b 및 c의 경우) 사이의 수로부터 독립적으로 선택될 수 있다. 바람직하게는 a는 1 또는 2이고, 보다 바람직하게는 b가 1일 때 a는 1이고 b가 0일 때 a는 2이다. 바람직하게 d는 1이다. 바람직하게는 b는 0이거나 (a가 1일 때) 바람직하게 b는 1이다. 바람직하게 c는 1이다.
일반적으로 a, b, c 및 d의 합은 3.0 내지 4.0 사이이고, 바람직하게는 3.0 또는 4.0이다.
제조 방법
본 발명의 화합물의 제조를 위해 스퍼터링 기술이 사용된다. 이를 통해 화합물의 박층 (박막)을 제조할 수 있다. 이 목적을 위해 원소 금속 및/또는 두 금속의 합금이 스퍼터링의 타겟으로 사용된다. 진공 리시버(vacuum receiver)의 기본 압력은 바람직하게 10-6mbar 이하, 보다 바람직하게는 10-7mbar 이하, 가장 바람직하게는 10-8mbar 이하이고, 증착은 바람직하게는 0.1 x 10-3mbar 내지 10 x 10-3mbar, 보다 바람직하게는 1 x 10-3 mbar 내지 5 x 10-3 mbar, 가장 바람직하게는 3 x 10-3 mbar에서 실행되고, 온도는 바람직하게는 100℃ 내지 500℃, 보다 바람직하게는 150℃ 내지 450℃, 가장 바람직하게는 200℃ 내지 400℃의 범위이다. 박층의 성장 속도는 약 0.03 내지 0.04 nm/s이다. 증착 후, 수용기(recipient) 내의 기판상의 박층은 바람직하게는 5분 내지 25분, 보다 바람직하게는 10분 내지 20분, 가장 바람직하게는 약 15분 동안 진공 어닐링된 다음 실온으로 서서히 냉각된다. 그 후 바람직하게는 2nm 내지 3nm 알루미늄의 보호층이 증착되어 금속 박층을 산화로부터 보호하기 위해 사전 코팅한다.
증착된 재료의 결정 구조는 증착 매개 변수의 변화에 의해 영향을 받을 수 있다. 약 200℃의 낮은 증착 온도에서 육방 구조가 우선적으로 형성되는 반면 온도가 증가하면 (약 400℃에서) 정방형 반-호이슬러 화합물의 비율이 증가하는 것으로 밝혀졌다. 추가적인 바람직한 일 실시예에서, 화합물은 원하는 결정 구조를 갖는 미리 정의된 기판상에서, 예를 들어 사파이어 기판 (0001을 따라) 또는 기판으로서 MgO (001을 따라)상에서, 박막의 에피택시얼 성장으로 수득될 수 있다. 본 발명의 육방 화합물은 우선적으로 기판 표면에 수직인 결정학적 [001] 방향으로 사파이어상에서 성장하는 것이 관찰되었다. 원칙적으로 육방 Ru 또는 Co를 기판 표면으로 사용할 수도 있다. 그러나, 이러한 기판은 본 발명의 육방 화합물에 비해 격자 불일치(lattice mismatch)가 높으므로 덜 바람직하다. 추가적이지만 덜 선호되는 대안은 기판으로서 육방 SiC (2H) 및 삼방 SiO2이다. 이러한 유형의 기판에서 성장한 박층은 더 낮은 결정화도를 나타내었다.
사용을 위한 자석의 제조
자석으로 사용하기 위해 본 발명의 화합물은 예를 들어 원료로 소결되거나 적절한 결합제 재료와 결합될 수 있다. 소결 자석은 일반적으로 더 강하고 이방성이지만 형태가 제한된다. 이들은 원료를 압력 형성하고 가열 공정으로 만들어진다. 결합된 자석은 소결된 자석보다 덜 강하지만 가격이 저렴하며 거의 모든 크기와 형태로 만들어질 수 있다. 결합된 자석의 경우, 원료 (본 발명에 따른 화합물)는 5 내지 90 중량%, 바람직하게는 10 내지 60 중량%, 더욱 바람직하게는 20 내지 40 중량% 결합제와 혼합되고, 고온에서 압축되고 경화된다. (예를 들어, 50 내지 350℃, 바람직하게는 80 내지 280℃, 더 바람직하게는 100 내지 200℃; 사용된 결합제 및 자성 화합물의 온도 안정성에 따라 다름). 이들은 등방성이다. 즉, 어떤 방향으로든 자화될 수 있다. 성형 공정은 예를 들어 사출 성형 또는 압축 접합 공정이 될 수 있다. 일반적인 결합제 유형은 나일론, 폴리아미드, 폴리페닐렌 설파이드 (PPS) 및 니트릴 부타디엔 고무 (NBR)이다.
실시예
장비 및 측정 방법
결정 구조와 막의 두께는 Cu-Kα 소스 (Philips PANanalytical X'pert Pro)를 사용하여 X선 회절 (XRD) 측정을 통해 측정되었다. 에너지 분산형 X선 분광법 (EDX) 측정은 막의 조성물을 결정하기 위해 QUANTA 200 FEG I에서 수행되었다. StrataGEM 소프트웨어 패키지를 사용하여 막의 두께를 측정하였다. Quantum Design의 초전도 양자간섭소자 진동샘플자력계(vibrating sample magnetometer) (MPMS-3)는 박막의 자기 특성을 연구하는 데 사용되었다.
실시예 1 및 실시예 2
Mn
1.5
PtGa 및 Mn
1.08
Fe
0.58
Pt
1.19
Ga
Mn1.5PtGa 및 Mn1.08Fe0.58Pt1.19Ga의 박층들은 기판으로 사파이어 표면 (0001)상에서 에피택시얼 성장에 의해 제조되었다. 사파이어 (Al2O3)가 삼방 결정계에서 결정화되기 때문에, 즉 육방 미터법(hexagonal metric)으로 사파이어 표면의 구조는 Mn1.5PtGa 및 Mn1.08Fe0.58Pt1.19Ga 층의 에피택시얼 성장을 지원한다.
원소 망간, 백금, 철 및 MnGa 조성물의 합금이 스퍼터링을 위한 타겟으로 사용되었다. 진공 리시버(vacuum receiver)의 기본 압력은 10-8mbar 이하였고, 기판상의 증착은 200℃ 내지 300℃의 온도 범위 내에서 3 x 10-3mbar에서 수행되었다. 박층의 성장 속도는 약 0.03 내지 0.04 nm/s이었다. 증착 후, 수용기(recipient) 내의 기판상의 박층을 15분 동안 진공 어닐링한 다음 천천히 실온으로 냉각시켰다. 그런 다음 2nm 내지 3nm 알루미늄 보호층을 증착하여 금속 박층을 산화로부터 보호하였다.
Mn1.5PtGa의 22nm 박층과 Mn1.08Fe0.58Pt1.19Ga의 44nm 박층상의 "평면 외" 형상("out-of-plane" geometry)에서 실온에서 X선 분말 회절도(X-ray powder diffractogram)가 도 1에 나타나 있다. 육방 구조의 브래그 반사(Bragg reflection)는 H(0002) 및 H(0004)로 표시된다. 300℃에서 성장한 박층 (도 1b)은 200℃에서 적용된 층 (도 1a)에 비해 더 우수한 결정화도를 보여준다. 300℃ 이상의 증착 온도에서 (도 1c) 브래그 강도(Bragg intensities)의 감소 및 추가적인 약한 반사가 관찰된다 (*로 표시). 추가적인 반사는 2차상인 정방형 반-호이슬러 화합물에 의해 발생한다고 가정할 수 있다. 벌크 샘플(bulk sample)에서도 유사한 동작이 관찰된다. Mn의 일부를 Fe로 대체하면 도 1d와 같이 육방 구조가 보존된다. 사파이어 (0001)에 증착된 모든 박막은 증착 온도에 관계없이 질감(texture)을 나타낸다. 삼방 기판 표면상의 에피택시얼 성장으로 인해 육방 Mn1.5PtGa 및 Mn1.08Fe0.58Pt1.19Ga가 각각 기판 표면에 수직인 결정학적 [001] 방향의 우선적인 방향으로 증착되므로 사파이어의 결정학적 c축에 평행하게 된다.
증착된 재료의 결정 구조는 다른 증착 매개 변수에 의해 영향을 받을 수 있다. 낮은 증착 온도에서 육방 구조가 우선적으로 형성되는 반면 온도가 증가함에 따라 정방형 반-호이슬러 화합물의 비율이 증가하는 것이 관찰된다. 육방 결정 구조의 격자 매개 변수는 Mn1.5PtGa의 경우 a = 4.35Å 및 c = 5.58Å이고, Mn1.08Fe0.58Pt1.19Ga의 경우 a = 4.33Å 및 c = 5.52Å이다. 이는 사파이어 기판의 a축 a = 4.74Å에 대해 약 8.2% 및 8.6%의 a축 격자 불일치에 해당한다. 상대적으로 큰 격자 불일치에도 불구하고 Mn1.5PtGa 및 Mn1.08Fe0.58Pt1.19Ga의 에피택시얼 성장이 기판의 사파이어 표면 (0001)에서 관찰된다.
300℃에서 사파이어 (0001) 표면에 증착된 Mn1.5PtGa의 결정화가 잘 된 (well-crystalline) 박층의 자기 특성이 도 2에 나타나 있다. 도 2a는 온도 함수로 0.05T의 전계 강도에서 전계 냉각 모드 (field-cooled mode, FC)에서 측정된 자화를 보여준다. 약 241K의 퀴리 온도 (Tc)에서 강자성에서 상자성으로의 상전이가 관찰된다. 20K 및 200K에 대한 해당 M(H) 곡선은 각각 도 2b 및 도 2c에서 "평면 내" (IP) 및 "평면 외" (OP) 방향에 대해 표시된다. 표시된 데이터는 각 온도에 대한 기판 기여도를 제외한 후의 원데이터에 해당한다. 샘플은 20K에서 "평면 외" 방향에서 1.5T의 보자력(coercive field strength) Hc를 보여주지만, (자기 이방성의 온도 의존성에 의해) 200K에서 보자력 (0.18T)이 거의 사라진다. 도 2d는 온도가 증가함에 따라 보자력이 체계적으로 감소하는 것을 보여준다. "평면 밖" 방향의 보자력 측정 값은 "평면 내" 측정에 비해 강한 자기 이방성을 보여준다. 20K 및 5T에서 400kA/m의 총 자화가 측정된다. 이는 방정식 KU = (μ0MS x Ha)/2에 따라 이방성 상수 (KU)의 값으로 3.3 MJ/m3가 된다. MS는 포화 자화이고 Ha는 이방성 자기장(anisotropy field)이다. 후자의 추정치는 "평면 내" 및 "평면 외" 플롯의 교차점을 사용하여 얻는다. Mn1.5PtGa의 박층은 20K에서 약 30kJm-3의 (BH)max를 보여준다. 온도가 증가하면 (BH)max는 감소하고 200K에서는 즉 퀴리 온도 근처에서는 4kJm-3에 불과하다.
도 3은 300℃에서 증착된 Mn1.08Fe0.58Pt1.19Ga의 44nm 박막에 대한 자화를 보여준다. 온도의 함수로서 0.1T의 전계 강도에서 전계 냉각 모드 (FC)에서 측정된 자화 (도 3a)는 약 312K에서 강자성에서 상자성으로의 상전이를 보여준다. 50 및 300K에서 각각 평면 외 형상에서 측정된 히스테리시스 곡선은 도 3b에 나타나 있다. 저온 측정은 보자력이 0.87T인 반면 TC 근처의 측정값은 0.02T이다.
두 가지 실시예는 모두 육방 결정 구조를 가진 물질이 망간이나 철과 같이 충분한 홀전자를 가진 원소와, 백금과 같이 뚜렷한 스핀-궤도 결합을 갖는 원소가 존재할 때 현저한 보자력과 잔류 자기를 나타낼 수 있음을 보여준다. 육방 Mn1.08Fe0.58Pt1.19Ga 시스템은 또한 퀴리 온도와 자기 모멘트가 4차 시스템(quaternary system)에서 더 증가할 수 있음을 보여준다. MnCoPtGa 시스템에서도 유사한 결과를 얻을 수 있다.
Claims (14)
- 일반적인 조성물 XaX'bYcZd를 갖는 금속간 화합물을 함유하며,
상기 X 및 X'는 홀전자를 가지는 3d 전이 금속을 서로 독립적으로 나타내고;
상기 Y는 5, 8, 9 또는 10족의 4d 또는 5d 전이 금속이고;
상기 Z는 13, 14 또는 15족의 주족 원소이며;
상기 a 및 d는 0.1 내지 2.0 사이의 수를 서로 독립적으로 나타내고;
상기 b는 0.0 내지 2.0 사이의 수를 나타내고;
상기 c는 1이며;
이러한 a+b+c+d가 3.0 내지 4.0 사이인 경질 자석. - 제1항에 있어서, 상기 X 및 X'는 Mn, Fe, Co 또는 Ni으로부터 독립적으로 선택되는 경질 자석.
- 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 Y는 Ru, Rh, Pd, Pt, Ir, Ag, Au, Nb 또는 Ta인 경질 자석.
- 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 Z는 Al, Ga, In, Ge, Sn, As, Sb 또는 Bi인 경질 자석.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 a는 1 또는 2이고, 보다 바람직하게는 b가 1일 때 a는 1이고, b가 0일 때 a가 2인 경질 자석.
- 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 d는 1인 경질 자석.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 b는 0이거나 a가 1일 때 b가 1인 경질 자석.
- 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 a, b, c, 및 d의 합이 3.0 또는 4.0인 경질 자석.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속간 화합물은 육방 (hexagonal) 또는 삼방(trigonal) 결정의 대칭을 가지는 경질 자석.
- 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 금속간 화합물은 자기결정 이방성을 가지는 경질 자석.
- 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 보자력(coercivity) Bc가 0.05T 이상인 경질 자석.
- 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 경질 자석은 소결되는 것을 특징으로 하는 경질 자석.
- 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 경질 자석이 결합제 (binder)를 추가적으로 포함하는 경질 자석.
- 일반적인 조성물 XaX'bYcZd를 갖는 금속간 화합물에 있어서,
상기 X 및 X'는 홀전자를 가지는 3d 전이 금속을 나타내고;
상기 Y는 5, 8, 9 또는 10족의 4d 또는 5d 전이 금속이고;
상기 Z는 13, 14 또는 15족의 주족 원소이며;
상기 a 및 d는 0.1 내지 2.0 사이의 수를 서로 독립적으로 나타내고;
상기 b 및 c는 0.0 내지 2.0 사이의 수를 서로 독립적으로 나타내며;
이러한 a+b+c+d가 3.0 내지 4.0 사이인 금속간 화합물의 경질 자석으로서 용도.
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