【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院強磁場中心陸輕鈾課題組與英國華威大學(xué)彭威研究員、Marin Alexe教授及韓國浦項科技大學(xué)的Daesu Lee教授等國際團(tuán)隊合作，依托穩(wěn)態(tài)強磁場實驗裝置(SHMFF)的水冷磁體掃描力顯微鏡及超導(dǎo)磁體SMA組合顯微系統(tǒng)，在氧化物薄膜的鐵彈性晶體取向調(diào)控領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。研究團(tuán)隊利用超銳針尖誘導(dǎo)的剪切應(yīng)力，首次實現(xiàn)對氧化物薄膜中鐵彈性疇的三維操控。相關(guān)研究成果在線發(fā)表于Nature Nanotechnology。
鐵性材料(如鐵磁、鐵電、鐵彈)中復(fù)雜的疇結(jié)構(gòu)及其誘導(dǎo)的局部異質(zhì)性，為理解與優(yōu)化材料的功能物性帶來了挑戰(zhàn)與機遇。鐵彈材料作為鐵性材料中最龐大的一類，其特征是晶格在機械應(yīng)力下表現(xiàn)出具備彈性滯后的多取向態(tài)(孿晶)切換。在復(fù)雜氧化物中，鐵彈序(晶體取向)常與其他自由度(如電荷、自旋、軌道等)強烈耦合，對材料的電子性質(zhì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。然而，目前納米尺度下對鐵彈序的非易失性、非破壞性調(diào)控手段仍十分缺乏，這嚴(yán)重制約了相關(guān)基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開發(fā)。
研究團(tuán)隊以鐵磁金屬氧化物SrRuO3薄膜為研究對象，利用SHMFF水冷磁體平臺開發(fā)的高靈敏磁力顯微鏡系統(tǒng)(MFM)，在2-300 K溫度范圍和0-35 T磁場條件下，直接觀測了納米磁疇結(jié)構(gòu)。實驗發(fā)現(xiàn)，具備(111)晶體取向的SrRuO3薄膜在 5 K以下低溫基態(tài)時，需要27-35 T的超高磁場才能使磁疇逐漸達(dá)到飽和狀態(tài)。這一新發(fā)現(xiàn)的超穩(wěn)定磁結(jié)構(gòu)引起了研究人員的重點關(guān)注，通過原位對比掃描電子顯微鏡電子通道襯度(ECC)的鐵彈疇圖像和MFM的磁疇圖像，并結(jié)合微磁模擬，團(tuán)隊證實鐵彈疇壁處的面內(nèi)磁化分量以“頭對頭 / 尾對尾”模式排列，產(chǎn)生雜散場對比。這一發(fā)現(xiàn)揭示了該體系中存在的鐵磁-鐵彈性耦合(即磁彈性耦合)現(xiàn)象，表現(xiàn)為晶體取向鎖定的磁各向異性特性。
在調(diào)控技術(shù)方面，研究團(tuán)隊通過控制超銳針尖施加的剪切應(yīng)力場，在 SrRuO3(001)和(111)薄膜中，分別實現(xiàn)了四變體和三變體晶體取向的選擇性切換，ECC成像清晰展示了疇結(jié)構(gòu)的可控轉(zhuǎn)變過程。進(jìn)一步的磁輸運和MFM觀測表明，這種鐵彈切換可以精確調(diào)控磁易軸的取向選擇。通過調(diào)節(jié)原子力顯微鏡(AFM)針尖的載荷力，團(tuán)隊實現(xiàn)了納米級深度分辨調(diào)控：低載荷力可選擇性作用于薄膜表層，施加3 mN載荷力可貫穿10 nm厚薄膜全層，為設(shè)計垂直磁異質(zhì)結(jié)構(gòu)提供了新路徑。
該鐵彈性“書寫”技術(shù)已成功制備出50 nm寬的磁疇條紋和26×26 nm2點狀磁疇，其磁態(tài)可通過 MFM 穩(wěn)定讀取，估算存儲密度達(dá) 148 Gbit/cm2。在自旋電子學(xué)領(lǐng)域，團(tuán)隊通過調(diào)控層間磁各向異性，在SrRuO3單層膜中實現(xiàn)無外場自旋軌道矩(SOT)磁化翻轉(zhuǎn)：當(dāng)表層晶體取向旋轉(zhuǎn)180度時，自旋霍爾效應(yīng)產(chǎn)生的層間自旋流不再抵消，反常霍爾信號變化幅度翻倍。該調(diào)控方案在 (La0.7Sr0.3)(Mn0.9Ru0.1)O3體系中的成功復(fù)現(xiàn)，驗證了其普適性。
研究中所使用的水冷磁體顯微鏡系統(tǒng)，在0-35 T超強磁場下實現(xiàn)高分辨磁疇成像，彌補了傳統(tǒng)輸運測試在微觀觀測上的不足。該成果不僅建立了基于 AFM 針尖的三維鐵彈性“寫入”技術(shù)，為研究超導(dǎo)、磁輸運等涉及結(jié)構(gòu)異質(zhì)性的相關(guān)物性提供了新方法，還為機械可編程的非易失性納米電子學(xué)開辟了新方向。
英國華威大學(xué)彭威研究員、合肥物質(zhì)院強磁場中心孟文杰副研究員和韓國浦項科技大學(xué) Younji Kim 為共同第一作者；華威大學(xué)彭威、Marin Alexe 教授、強磁場中心陸輕鈾研究員及韓國浦項科技大學(xué) Daesu Lee 教授為共同通訊作者。該項研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金等的支持。
圖1水冷磁體磁力顯微系統(tǒng)實物、測試及鐵彈耦合鐵磁疇圖像：(a)展示了由疇壁處面內(nèi)分量分布區(qū)別導(dǎo)致的磁對比度示意圖；同一區(qū)域采集鐵彈疇、MFM及微磁學(xué)模擬圖像對比；(b)5 K下磁疇隨磁場0-30 T下演化過程。
圖2鐵彈性寫入與晶體方向選擇。(a)原子力顯微鏡針尖加載下剪應(yīng)力分布示意圖；(b)根據(jù)快速與慢速掃描軸，由拖尾引起的晶體剪切示意圖；(c,d)ECC圖像展示了確定性的鐵彈性寫入。
圖3 (a)基于晶向選擇的鐵磁各向異性調(diào)控；(b)機械寫入的鐵彈疇織構(gòu)的電子通道對比度(ECC)圖像及對應(yīng)磁力顯微鏡(MFM)圖像；(c)具有不同設(shè)計的鐵磁各向異性垂直不均勻性的SrRuO3(001)的無場自旋軌道矩(SOT)切換回線
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