研究依托水冷磁体扫描力显微技术实现薄膜晶向高密读写新方法

近日，中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心陆轻铀课题组与英国华威大学研究员彭威、marin alexe教授以及韩国浦项科技大学daesu lee教授等合作，在氧化物薄膜铁弹性晶体取向调控方面取得重要进展。该研究依托稳态强磁场实验装置（shmff）中的水冷磁体扫描力显微镜和超导磁体sma组合显微系统，成功实现了对氧化物薄膜中铁弹性畴的三维操控，相关成果具有重要意义。

铁性材料如铁磁、铁电、铁弹中复杂的畴结构及其引发的局部异质性，为理解与优化材料功能性能带来了挑战与机遇。作为铁性材料中数量最多的一类，铁弹材料在机械应力下表现出晶格多取向态切换，并伴有弹性滞后现象。在复杂氧化物体系中，铁弹序通常与其他自由度（如电荷、自旋、轨道等）强烈耦合，显著影响其电子性质。目前，实现纳米尺度下非易失、非破坏性的铁弹序调控仍面临较大困难，限制了相关基础研究与应用发展。

研究人员以铁磁金属氧化物SrRuO3薄膜为模型体系，利用SHMFF水冷磁体平台开发的高灵敏磁力显微镜系统，在2-300 K温度范围及0-35 T磁场条件下对其纳米磁畴结构进行了观测。实验发现，在低于5 K低温下，具有（111）晶体取向的SrRuO3薄膜需施加27-35 T超高磁场才能使磁畴逐步趋于饱和。通过原位对比扫描电子显微镜电子通道衬度（ECC）图像与磁力显微镜（MFM）图像，并结合微磁模拟分析，证实铁弹畴壁处存在面内磁化分量“头对头/尾对尾”排列模式，并由此产生杂散场对比，揭示出该体系中存在铁磁-铁弹性耦合即磁弹性耦合现象，表现为晶体取向锁定的磁各向异性特性。

在调控手段方面，研究团队通过控制超锐针尖施加剪切应力场，在SrRuO3（001）和（111）薄膜中分别实现了四变体和三变体晶体取向的选择性切换。ECC成像清晰展示了畴结构可控转变过程。进一步的磁输运测量和高灵敏磁力显微镜观测表明，这种铁弹切换可精确调控磁易轴取向。通过调节原子力显微镜针尖载荷力，实现了纳米级深度分辨调控：低载荷力仅作用于表层，而3 mN载荷力可贯穿10 nm厚薄膜全层，为设计垂直磁异质结构提供了新思路。

该铁弹性“书写”技术已成功制备出50 nm宽磁畴条纹和26×26 nm²点状磁畴，其磁态可通过高灵敏磁力显微镜稳定读取，估算存储密度达148 Gbit/cm²。在自旋电子学领域，通过调控层间磁各向异性，研究团队在SrRuO3单层膜中实现了无外场自旋轨道矩磁化翻转：当表层晶体取向旋转180度时，由自旋霍尔效应产生的层间自旋流不再相互抵消，反常霍尔信号变化幅度增加一倍。该调控策略在(La0.7Sr0.3)(Mn0.9Ru0.1)O3体系中亦获得成功复现，验证了其普适性。

本研究构建了一种基于原子力显微镜针尖的三维铁弹性“写入”技术，为探索超导、磁输运等涉及结构异质性的物理现象提供了全新方法，也为机械可编程的非易失性纳米电子学开辟了新方向。

相关研究成果发表于《自然-纳米技术》（Nature Nanotechnology）。项目得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金等资助。

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铁弹性“写入”与晶体方向选择。（a）原子力显微镜针尖加载下剪应力分布示意图，（b）根据快速与慢速扫描轴，由拖尾引起的晶体剪切示意图，（c、d）ECC图像展示了确定性的铁弹性“写入”。

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 2025-06-20