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yexuqing木蟲之王 (文學泰斗)
太陽系系主任
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超高密度自支撐納米島陣列的實現(xiàn)
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中國科學院物理研究所 北京凝聚態(tài)物理國家研究中心 L03組供稿 第43期 2023年05月22日 超高密度自支撐納米島陣列的實現(xiàn) 磁存儲單元是用于記錄海量數(shù)據(jù)的磁介質(zhì)中的最小單元，也是當今較為可靠的高密度非易失性數(shù)據(jù)存儲方式之一。為了進一步提高磁存儲容量，必須在保證磁性納米疇穩(wěn)定和可讀取的同時，盡可能的降低基本單元的尺寸。然而，磁性材料中的超順磁效應(yīng)限制了最小鐵磁疇的大小。目前，研究人員普遍采用直寫電子束光刻技術(shù)將高耦合磁性顆粒組成的連續(xù)磁性薄膜圖像化成離散的單納米結(jié)構(gòu)，并局部調(diào)控異質(zhì)結(jié)構(gòu)的磁性，進一步開發(fā)納米尺度的數(shù)據(jù)存儲器件。通過該技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)了面密度高達65 Gbit/in2磁圓點陣列用于高容量磁盤。然而，盡管這種方法控制了磁各向異性，但是這種技術(shù)也逼近納米尺度磁性表征、數(shù)據(jù)讀取和器件制造的極限。同時，薄膜中鄰近磁疇之間的串擾也是不可避免的。因此，亟需找到一種先進的制造工藝和合適加工的材料在保持其磁性能的同時，進一步降低磁性單元的尺寸，從而增強單元陣列的面密度和數(shù)據(jù)讀取的可靠性。 近五年來，圍繞鈷氧化物薄膜中自旋態(tài)轉(zhuǎn)變和離子遷移等問題（【單原胞層強磁性鈷氧化物超薄膜的實現(xiàn)】【巨大氧八面體傾轉(zhuǎn)實現(xiàn)鈷自旋態(tài)調(diào)控】【面內(nèi)異晶面和異應(yīng)力同質(zhì)結(jié)的構(gòu)筑】【氧空位有序誘導的高溫鐵磁鈷氧化物薄膜研究】【鈷氧化物中氧離子遷移的動力學研究】），郭爾佳特聘研究員帶領(lǐng)研究生開展了系統(tǒng)深入的研究，揭示了晶格與自旋之間的強耦合關(guān)系，證實了鐵磁序與鐵彈序共存和調(diào)控機制，為鈷氧化物鐵磁性起源供了確鑿的依據(jù)。 最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心的博士生陳盛如在郭爾佳特聘研究員的指導下，利用水溶性犧牲層Sr2Al3O6薄膜，結(jié)合超薄陽極氧化鋁掩模版(AAO)的優(yōu)勢，構(gòu)建了直徑約30納米的LaCoO3納米島陣列。由于鈷氧化物薄膜在納米島內(nèi)外的晶格失配應(yīng)力狀況不同，呈現(xiàn)出截然不同的自旋態(tài)和宏觀磁性。利用磁力顯微鏡和氮空位中心磁力儀，研究團隊證實了單個納米島表現(xiàn)為鐵磁性，而島外表現(xiàn)為非磁性特征，每個磁疇彼此間相互獨立，可以使單個磁存儲器元件分開，從而進一步減少信號的串擾。此外，本方法具有普適性，能夠在硅基、玻璃和柔性襯底上進行高密度納米島的轉(zhuǎn)移和制備，為以后使用各種薄膜外延技術(shù)制造納米級磁性元件提供了切實可行的技術(shù)路徑。本項工作的相關(guān)內(nèi)容以“Magnetic Nanoislands in a Morphotropic Cobaltite Matrix”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials上。博士生陳盛如與中國地質(zhì)大學(北京)的聯(lián)合培養(yǎng)碩士生榮東珂為共同第一作者，郭爾佳特聘研究員和金奎娟研究員為共同通訊作者。 此外，研究團隊利用同樣的方法，將材料體系進一步拓展到室溫鐵磁性薄膜。利用自支撐薄層獨立于襯底的晶相和應(yīng)力的特性，構(gòu)建了原子尺度平整界面的錳氧化物同質(zhì)結(jié)。通過應(yīng)力分析，該同質(zhì)結(jié)具有明顯的結(jié)構(gòu)調(diào)制和清晰的晶界，為后續(xù)鐵性氧化物構(gòu)中構(gòu)建納米級單元奠定了材料基礎(chǔ)。本項工作的相關(guān)內(nèi)容以“Lateral strain tailoring in manganite homostructures assisted by atomic-flat freestanding membranes”為題發(fā)表在Nano Research上。北京化工大學聯(lián)合培養(yǎng)的本科生王宇飛為第一作者，北京科技大學博士后朱玉辰和中科院物理所的郭爾佳特聘研究員為共同通訊作者。 以上工作還得到了中國科學院物理研究所劉剛欽特聘研究員、張慶華副研究員、清華大學谷林教授、國家納米中心鄭強研究員、中國科學院高能物理研究所王嘉歐研究員和北京師范大學張金星教授在NV色心磁力計、掃描透射電鏡、掃描電鏡、X射線吸收譜和磁力顯微鏡實驗方面的大力支持。這兩項工作得到了國家重點基礎(chǔ)研究計劃項目、國家自然科學基金委面上和重點項目、粵港澳中子散射重點項目、中國科學院B類先導和依托大科學裝置開展建制化科研項目的支持。 相關(guān)工作鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202302936 https://link.springer.com/article/10.1007/s12274-023-5618-x 圖1. 異晶面同質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)示意圖、高分辨掃描透射電鏡圖和不同區(qū)域的磁性隨溫度變化關(guān)系。 圖2. 高密度自支撐納米島陣列的制備步驟、AAO掩模版和納米島的掃描電鏡圖、單個納米島的截面高分辨透射電鏡圖。 2023-AFM-Chen-Magnetic Nanoislands in a Morphotropic Cobaltite Matrix.pdf 2023-AFM-Chen-SI.pdf 2023-Nano Research-Y.Wang-Lateral strain tailoring in manganite homostructures assisted by atomic-flat freestanding membranes.pdf |
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