近日，中國科學院合肥物質科學研究院強磁場科學中心陸輕鈾課題組，聯合英國華威大學研究員彭威和教授Marin Alexe、韓國浦項科技大學教授Daesu Lee等，依托穩態強磁場實驗裝置（SHMFF）的水冷磁體掃描力顯微鏡和超導磁體SMA組合顯微系統，在氧化物薄膜的鐵彈性晶體取向調控方面取得進展。該研究利用超銳針尖誘導的剪切應力，實現對氧化物薄膜中鐵彈性疇的三維操控。
鐵性材料如鐵磁、鐵電、鐵彈中復雜的疇結構及其誘導的局部異質性，為理解與優化材料的功能物性帶來了挑戰與機遇。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力下表現出具備彈性滯后的多取向態切換。在復雜氧化物中，鐵彈序常與其他自由度如電荷、自旋、軌道等強烈耦合，對材料的電子性質產生重要影響。目前，納米尺度下對鐵彈序的非易失性、非破壞性調控手段仍然缺乏，制約了相關基礎研究和應用開發。
該研究以鐵磁金屬氧化物SrRuO3薄膜為研究對象，利用SHMFF水冷磁體平臺開發的高靈敏磁力顯微鏡系統，在2-300 K溫度范圍和0-35 T磁場條件下，觀測了納米磁疇結構。實驗發現，具備（111）晶體取向的SrRuO3薄膜在5 K以下低溫基態時，需要27-35 T的超高磁場才能使磁疇逐漸達到飽和狀態。研究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，并結合微磁模擬，證實鐵彈疇壁處的面內磁化分量以“頭對頭/尾對尾”模式排列，并產生雜散場對比。這揭示了該體系存在的鐵磁-鐵彈性耦合即磁彈性耦合現象，表現為晶體取向鎖定的磁各向異性特性。
在調控技術方面，該研究通過控制超銳針尖施加的剪切應力場，在SrRuO3（001）和（111）薄膜中分別實現了四變體和三變體晶體取向的選擇性切換，同時，ECC成像展示了疇結構的可控轉變過程。進一步的磁輸運和高靈敏磁力顯微鏡系統觀測表明，這種鐵彈切換可以精確調控磁易軸的取向選擇。通過調節原子力顯微鏡針尖的載荷力，研究實現了納米級深度分辨調控，即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，這為設計垂直磁異質結構提供了新路徑。
這一鐵彈性“書寫”技術已制備出50 nm寬的磁疇條紋和26×26 nm2點狀磁疇，其磁態可通過高靈敏磁力顯微鏡系統穩定讀取，估算存儲密度達148 Gbit/cm2。在自旋電子學領域，團隊通過調控層間磁各向異性，在SrRuO3單層膜中實現無外場自旋軌道矩磁化翻轉：當表層晶體取向旋轉180度時，自旋霍爾效應產生的層間自旋流不再抵消，反常霍爾信號變化幅度翻倍。該調控方案在 (La0.7Sr0.3)(Mn0.9Ru0.1)O3體系中的成功復現，驗證了其普適性。
上述研究建立了基于原子力顯微鏡針尖的三維鐵彈性“寫入”技術，為研究超導、磁輸運等涉及結構異質性的相關物性提供了新方法，并為機械可編程的非易失性納米電子學開辟了新方向。
相關研究成果在線發表在《自然-納米技術》（Nature Nanotechnology）上。研究工作得到國家重點研發計劃和國家自然科學基金等的支持。
論文鏈接
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力分布示意圖，（b）根據快速與慢速掃描軸，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”。
本文鏈接：研究依托水冷磁體掃描力顯微技術實現薄膜晶向高密讀寫新方法http://m.sq15.cn/show-12-1315-0.html
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