近日，中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心陸輕鈾課題組，聯(lián)合英國(guó)華威大學(xué)研究員彭威和教授Marin Alexe、韓國(guó)浦項(xiàng)科技大學(xué)教授Daesu Lee等，依托穩(wěn)態(tài)強(qiáng)磁場(chǎng)實(shí)驗(yàn)裝置（SHMFF）的水冷磁體掃描力顯微鏡和超導(dǎo)磁體SMA組合顯微系統(tǒng)，在氧化物薄膜的鐵彈性晶體取向調(diào)控方面取得進(jìn)展。該研究利用超銳針尖誘導(dǎo)的剪切應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(fù)雜的疇結(jié)構(gòu)及其誘導(dǎo)的局部異質(zhì)性，為理解與優(yōu)化材料的功能物性帶來(lái)了挑戰(zhàn)與機(jī)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(jī)械應(yīng)力下表現(xiàn)出具備彈性滯后的多取向態(tài)切換。在復(fù)雜氧化物中，鐵彈序常與其他自由度如電荷、自旋、軌道等強(qiáng)烈耦合，對(duì)材料的電子性質(zhì)產(chǎn)生重要影響。目前，納米尺度下對(duì)鐵彈序的非易失性、非破壞性調(diào)控手段仍然缺乏，制約了相關(guān)基礎(chǔ)研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)。

該研究以鐵磁金屬氧化物SrRuO3薄膜為研究對(duì)象，利用SHMFF水冷磁體平臺(tái)開(kāi)發(fā)的高靈敏磁力顯微鏡系統(tǒng)，在2-300 K溫度范圍和0-35 T磁場(chǎng)條件下，觀測(cè)了納米磁疇結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，具備（111）晶體取向的SrRuO3薄膜在5 K以下低溫基態(tài)時(shí)，需要27-35 T的超高磁場(chǎng)才能使磁疇逐漸達(dá)到飽和狀態(tài)。研究通過(guò)原位對(duì)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(jié)合微磁模擬，證實(shí)鐵彈疇壁處的面內(nèi)磁化分量以“頭對(duì)頭/尾對(duì)尾”模式排列，并產(chǎn)生雜散場(chǎng)對(duì)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(xiàn)象，表現(xiàn)為晶體取向鎖定的磁各向異性特性。

在調(diào)控技術(shù)方面，該研究通過(guò)控制超銳針尖施加的剪切應(yīng)力場(chǎng)，在SrRuO3（001）和（111）薄膜中分別實(shí)現(xiàn)了四變體和三變體晶體取向的選擇性切換，同時(shí)，ECC成像展示了疇結(jié)構(gòu)的可控轉(zhuǎn)變過(guò)程。進(jìn)一步的磁輸運(yùn)和高靈敏磁力顯微鏡系統(tǒng)觀測(cè)表明，這種鐵彈切換可以精確調(diào)控磁易軸的取向選擇。通過(guò)調(diào)節(jié)原子力顯微鏡針尖的載荷力，研究實(shí)現(xiàn)了納米級(jí)深度分辨調(diào)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(shè)計(jì)垂直磁異質(zhì)結(jié)構(gòu)提供了新路徑。

這一鐵彈性“書寫”技術(shù)已制備出50 nm寬的磁疇條紋和26×26 nm2點(diǎn)狀磁疇，其磁態(tài)可通過(guò)高靈敏磁力顯微鏡系統(tǒng)穩(wěn)定讀取，估算存儲(chǔ)密度達(dá)148 Gbit/cm2。在自旋電子學(xué)領(lǐng)域，團(tuán)隊(duì)通過(guò)調(diào)控層間磁各向異性，在SrRuO3單層膜中實(shí)現(xiàn)無(wú)外場(chǎng)自旋軌道矩磁化翻轉(zhuǎn)：當(dāng)表層晶體取向旋轉(zhuǎn)180度時(shí)，自旋霍爾效應(yīng)產(chǎn)生的層間自旋流不再抵消，反?；魻栃盘?hào)變化幅度翻倍。該調(diào)控方案在 (La0.7Sr0.3)(Mn0.9Ru0.1)O3體系中的成功復(fù)現(xiàn)，驗(yàn)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(shù)，為研究超導(dǎo)、磁輸運(yùn)等涉及結(jié)構(gòu)異質(zhì)性的相關(guān)物性提供了新方法，并為機(jī)械可編程的非易失性納米電子學(xué)開(kāi)辟了新方向。

相關(guān)研究成果在線發(fā)表在《自然-納米技術(shù)》（Nature Nanotechnology）上。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金等的支持。

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(yīng)力分布示意圖，（b）根據(jù)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”。