物质学院翟晓芳课题组揭示锰氧化物超薄膜磁各向异性的“水遁术”

发布时间2022-07-30文章来源 物质科学与技术学院作者责任编辑

是人类和所有生物的生命之源,是大自然神奇的魔法师。水分子氧离子或氢离子的娇小身躯”可以轻易嵌入大多数材料的结构基元中,从而实现材料从微观到宏观的物性改变

磁性功能材料在低功耗自旋电子学器件应用领域具有广阔前景作为磁性功能材料的一个重要参量,磁各向异性反映了电子自旋的取向程度单晶薄膜通常具有磁各向异性当薄膜厚度减小到几纳米时,其磁各向异性会进一步增强。因此,磁各向异性为零或非常弱的软磁超薄膜较为少见,更不要说在多个方向都具有较小的矫顽场、磁性容易翻转的软磁材料多方向软磁超薄膜是发展柔性自旋电子学器件的基石。那么,调控薄膜的磁各向异性呢?

为此,manbetx网页登录版物质科学与技术学院翟晓芳课题组上海纽约大学陈航晖课题组与美国阿贡国家实验室周华研究员、美国国家标准计量局(NISTAlexander Grutter研究员等团队合作,基于最新的水溶牺牲层方法,制备出大面积无裂纹的自支撑锰氧化物薄膜,将其转移至硅衬底开展磁性方面的研究团队出乎意料发现,经浸泡后,原先外延薄膜中显著的磁各向异性在厚度为几纳米的自支撑超薄膜中竟消失了,自支撑薄膜表现出多方向软铁磁性,饱和磁化强度和居里温度也同时提高(图1


1. 外延和自站立薄膜的磁性表征。


解密磁各向异性的“水遁术”,研究者通过多种实验表征和理论计算方法揭示了锰价态的分层模型:水溶过程导致薄膜表面掺杂氢离子,因而该区域锰价态接近+2价,易磁化轴为面外方向;薄膜内部则因水难以进入,锰价态仍表现为块+3价,易磁化轴仍保持面内方向(图2)。当自支撑薄膜减小到几纳米厚时,表面区域和薄膜内部的体积相当,整个薄膜的磁各向异性趋于消失。因此,通过采用水溶牺牲层工艺,自支撑超薄膜表面的氢离子掺杂可对整个薄膜的磁性产生决定性的影响,从而产生异于外延薄膜的功能特性。


2. 氢掺杂后锰价态的分层模型。

 

成果“Engineering magnetic anisotropy and emergent multi-directional soft ferromagnetism in ultrathin freestanding LaMnO3 films”为题,发表于国际知名学术期刊ACS Nano翟晓芳课题博士研究生陆勤雯、陈航晖课题博士研究刘芝伟和manbetx网页登录版物质学院电镜中心杨群为该论文的共同第一作者,manbetx网页登录版翟晓芳教授上海纽约大学陈航晖教授为共同通讯作者。

论文链接:https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.1c11065