最近，合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家實驗室吳文彬課題組在氧化物自旋電子學(xué)研究領(lǐng)域取得突破。首次制備出基于全氧化物外延體系的人工反鐵磁體——[La2/3Ca1/3MnO3/CaRu1/2Ti1/2O3]N，觀察到隨外加磁場清晰的具有層分辨的分步磁化翻轉(zhuǎn)模式。成果以“All-oxide-based synthetic antiferromagnets exhibiting layer-resolved magnetization reversal”為題發(fā)表在《Science》雜志上 【Chen et al., Science 357, 191-194 (2017)】。文章合作單位為德國尤利希中子科學(xué)中心，第一作者為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士生陳斌斌，通訊作者為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)吳文彬教授。

  上世紀(jì)八十年代末，[Fe/Cr]N和[Co/Cu]N等人工反鐵磁體中巨磁阻 (Giant Magneto-Resistance, GMR) 效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，促成了自旋電子學(xué)的誕生，同時也正是因為其在商業(yè)磁存儲等領(lǐng)域的成功應(yīng)用，使得當(dāng)今云存盤和云計算等新興產(chǎn)業(yè)成為可能。人工反鐵磁體是由鐵磁層和非磁層交替生長形成的多層膜材料（層數(shù)N，各層厚度在納米至亞納米量級），由于相鄰鐵磁層之間具有所謂的反鐵磁層間交換耦合，各層磁化在零場下呈反平行排列。相比于單相反鐵磁晶體中巨大的交換場（幾十萬高斯），人工反鐵磁體的層間交換作用要弱得多（幾十到幾千高斯），并且隨層厚等制備參數(shù)變化大小可調(diào)，使實際應(yīng)用成為可能。當(dāng)外加磁場克服層間耦合使相鄰鐵磁層的磁化平行時，人工反鐵磁體的電阻發(fā)生顯著變化，導(dǎo)致GMR效應(yīng)。如今，人工反鐵磁體不僅成為多種新型自旋電子學(xué)器件的重要組成部分（諸如磁隨機存儲器等），也是研究反鐵磁材料的磁化動力學(xué)和磁疇結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)問題的重要載體。

  長期以來，針對人工反鐵磁體材料、物理和器件的研究多集中于過渡金屬及其合金材料。而過渡金屬氧化物作為另一大類材料體系，雖不乏鐵磁性和非磁性成員，但成功制備全氧化物人工反鐵磁體卻鮮有報道。這類材料因其高溫超導(dǎo)、龐磁電阻、磁電耦合、鐵電極化以及離子電導(dǎo)等一系列物理和化學(xué)效應(yīng)，早已成為人們廣為關(guān)注的研究對象。同時，由于晶體結(jié)構(gòu)上的相似性，它們易于相互外延生長，形成多功能器件；由于眾所周知的電荷、自旋、軌道、晶格多自由度相互作用和對稱性破缺等，其表面和外延異質(zhì)界面往往會誘導(dǎo)出新的量子物態(tài)和新效應(yīng)。可以說，在過去的十多年，隨著薄膜生長和檢測技術(shù)的不斷提升，有關(guān)氧化物外延異質(zhì)界面的研究一直是精彩紛呈。然而，在這類材料中，作為一種最基本的器件結(jié)構(gòu)單元——全氧化物人工反鐵磁體的缺失，無疑是一重大缺憾，也嚴(yán)重阻礙了相關(guān)氧化物電子學(xué)和自旋電子學(xué)器件的研制和發(fā)展。

  事實上，鑒于氧化物材料豐富的物性和特有的優(yōu)越性，如半金屬鐵磁性、抗氧化及熱穩(wěn)定性，早在上世紀(jì)末人們就開始嘗試制備全氧化物反鐵磁體。然而，對該類材料也有如下問題必須解決。其一，磁性氧化物普遍存在所謂的“死層”，即隨著薄膜厚度降低，其鐵磁性衰退乃至消失，這極大地制約了氧化物人工反鐵磁體的研制；其二，薄膜厚度起伏易導(dǎo)致相鄰磁性層之間形成靜磁耦合，而非反鐵磁耦合，故構(gòu)建超薄人工反鐵磁體要求高質(zhì)量的異質(zhì)外延生長，保證各層均具有原子級平整和清晰界面；其三，要實現(xiàn)層間反鐵磁耦合和具有層分辨的分步磁化翻轉(zhuǎn)模式，磁性層必須具有較強的單軸磁各向異性；其四，反鐵磁層間交換耦合源于RKKY相互作用或自旋極化隧穿，合適的非磁性層包括電子結(jié)構(gòu)和缺陷態(tài)至關(guān)重要。吳文彬課題組長期從事復(fù)雜氧化物的外延生長及物性研究，近年來針對上述問題開展了一系列深入的研究 [Appl. Phys. Lett. 103, 262402 (2013); 104, 242416 (2014); Nat. Commun. 6, 8980 (2015); Nature Mater. 15, 956 (2016); ACS Appl. Mater. Interfaces 8, 34924 (2016)]。

  他們發(fā)現(xiàn)La2/3Ca1/3MnO3(LCMO)/CaRu1-xTixO3(CRTO)界面由于Mn-O-Ru間電荷轉(zhuǎn)移可有效抑制LCMO鐵磁層的“死層”效應(yīng)；兩種材料具有完全匹配的晶格參數(shù)和對稱性，可得到完好的界面保證了多層膜和超晶格的外延生長；其低對稱性正交結(jié)構(gòu)使磁性層具有單軸磁各向異性；另外，在CRTO非磁層中Ru、Ti含量的變化導(dǎo)致其電子態(tài)和輸運性能可調(diào)。在此基礎(chǔ)上，他們在LCMO/CaRu1/2Ti1/2O3(CRTO)中發(fā)現(xiàn)了清晰的反鐵磁層間交換耦合效應(yīng)，首次觀察到從表層和內(nèi)部各磁性層分步磁化翻轉(zhuǎn)模式，給出了耦合強度隨各層厚度及溫度的變化規(guī)律，以及可能的耦合機制。該工作無疑對氧化物自旋電子學(xué)的發(fā)展將起到重要的推動作用，同時也為功能氧化物界面的深入探索提供了新的平臺和思路。

  X射線線掃描及倒空間掃描顯示清晰的衛(wèi)星峰及衛(wèi)星斑點（A，B），表明樣品規(guī)整的層狀周期結(jié)構(gòu)。STEM及EELS表征（C,D）顯示LCMO與CRTO層之間界面明銳，離子互擴散極其微弱。高質(zhì)量的外延質(zhì)量是構(gòu)建人工反鐵磁晶體的前提。

  LCMO/CRTO人工反鐵磁晶體結(jié)構(gòu)表征：（A）X射線線掃描；（B）X射線倒易空間掃描；（C）斷面HAADF-STEM表征；（D）界面EELS表征

  LCMO/CRTO人工反鐵磁體磁性表征：（A）LCMO/CRTO與LCMO/CRO超晶格磁化曲線及磁滯回線；（B）具有不同周期LCMO/CRTO超晶格的磁滯回線；（C）LCMO/CRTO（N=4）超晶格兩種可能的中間態(tài)磁構(gòu)型；（D）LCMO/CRTO（N=10）人工反鐵磁超晶格在不同外場下極化中子反射譜

  相比于LCMO/CRO樣品典型的鐵磁特征，LCMO/CRTO超晶格磁化強度在140 K以下開始迅速減小，磁滯回線顯示零場下剩余磁化接近為零，并在±1/5Ms處（Ms為飽和磁化強度）出現(xiàn)磁化平臺。通過分析具有不同堆垛周期N的超晶格樣品磁滯回線，研究人員將該磁化平臺歸結(jié)為表層和內(nèi)部LCMO層磁化的分步翻轉(zhuǎn)，究其原因在于二者因相鄰LCMO層數(shù)不同而受到的層間耦合作用不同。且對于N > 3的超晶格，存在兩種等幾率的磁化翻轉(zhuǎn)次序，繼而導(dǎo)致兩種不同的中間態(tài)磁化構(gòu)型。以上結(jié)果與過渡金屬體系蒙特卡洛模擬結(jié)果相一致。

  通過與德國尤利希中子科學(xué)中心研究員蘇夷希（科大93屆校友）合作，該體系中的反鐵磁耦合態(tài)進一步被極化中子反射（PNR）實驗證實：零場下，PNR得出的磁結(jié)構(gòu)周期為超晶格周期厚度的兩倍，表明相鄰LCMO層磁化反平行排列；而高場下，所有LCMO層磁化平行排列，磁結(jié)構(gòu)周期與超晶格厚度周期相同。

  通過控制中間非磁層厚度， LCMO/CRTO人工反鐵磁基本單元（N = 2）能實現(xiàn)較高場下磁性號疊加，同時保持弱場下的零磁化態(tài)。此外，研究人員還發(fā)現(xiàn)類似的反鐵磁層間耦合作用在Tc接近室溫的La2/3Sr1/3MnO3(LSMO)/CRTO超晶格中亦能實現(xiàn)。考慮到該體系中適中的磁化翻轉(zhuǎn)場以及磁化構(gòu)型對外場的靈敏響應(yīng)，該結(jié)果將賦予其在生物檢測及自旋電子學(xué)器件領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。

  基于CRTO非磁層的人工反鐵磁體的拓展：（A）兩個人工反鐵磁基本單元（N=2）的鐵磁型疊加；（B）LSMO/CRTO（N=8）人工反鐵磁晶體磁性表征

  《Science》雜志的審稿人評價稱：“這是一項非常高水準(zhǔn)的實驗工作”

  （The experimental work is of very high standard）,“當(dāng)前研究在樣品質(zhì)量和表征上堪稱絕技”

  （The present study more generally is a tour de force in terms of sample quality and sample characterization）。

  “我認為這些結(jié)果非常有趣且潛在地開辟了研究其它氧化物多層膜的一個新方向”（I find these results very interesting and potentially opening a new direction of research for other oxide multilayers）。

  該工作受到國家自然科學(xué)基金、國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃、以及合肥大科學(xué)中心的項目資助。論文鏈接：

  http://science.sciencemag.org/content/sci/357/6347/191.full.pdf

  （來源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)新聞網(wǎng)）