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yexuqing木蟲之王 (文學(xué)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(xué)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(dāng)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(jìn)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(jìn)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(dá)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?dāng)_也是不可避免的。因此，亟需找到一種先進(jìn)的制造工藝和合適加工的材料在保持其磁性能的同時，進(jìn)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(dǎo)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(xué)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(xué)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(dǎo)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(jìn)一步減少信號的串?dāng)_。此外，本方法具有普適性，能夠在硅基、玻璃和柔性襯底上進(jìn)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(xué)(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(jìn)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(xué)聯(lián)合培養(yǎng)的本科生王宇飛為第一作者，北京科技大學(xué)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(xué)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(xué)谷林教授、國家納米中心鄭強研究員、中國科學(xué)院高能物理研究所王嘉歐研究員和北京師范大學(xué)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(xué)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(xué)院B類先導(dǎo)和依托大科學(xué)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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