超高密度自支撑纳米岛阵列的实现

　　磁存储单元是用于记录海量数据的磁介质中的最小单元，也是当今较为可靠的高密度非易失性数据存储方式之一。为了进一步提高磁存储容量，必须在保证磁性纳米畴稳定和可读取的同时，尽可能的降低基本单元的尺寸。然而，磁性材料中的超顺磁效应限制了最小铁磁畴的大小。目前，研究人员普遍采用直写电子束光刻技术将高耦合磁性颗粒组成的连续磁性薄膜图像化成离散的单纳米结构，并局部调控异质结构的磁性，进一步开发纳米尺度的数据存储器件。通过该技术已经实现了面密度高达65 Gbit/in2磁圆点阵列用于高容量磁盘。然而，尽管这种方法控制了磁各向异性，但是这种技术也逼近纳米尺度磁性表征、数据读取和器件制造的极限。同时，薄膜中邻近磁畴之间的串扰也是不可避免的。因此，亟需找到一种先进的制造工艺和合适加工的材料在保持其磁性能的同时，进一步降低磁性单元的尺寸，从而增强单元阵列的面密度和数据读取的可靠性。

　　近五年来，围绕钴氧化物薄膜中自旋态转变和离子迁移等问题（【单原胞层强磁性钴氧化物超薄膜的实现】【巨大氧八面体倾转实现钴自旋态调控】【面内异晶面和异应力同质结的构筑】【氧空位有序诱导的高温铁磁钴氧化物薄膜研究】【钴氧化物中氧离子迁移的动力学研究】），郭尔佳特聘研究员带领研究生开展了系统深入的研究，揭示了晶格与自旋之间的强耦合关系，证实了铁磁序与铁弹序共存和调控机制，为钴氧化物铁磁性起源供了确凿的依据。

　　最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心的博士生陈盛如在郭尔佳特聘研究员的指导下，利用水溶性牺牲层Sr2Al3O6薄膜，结合超薄阳极氧化铝掩模版(AAO)的优势，构建了直径约30纳米的LaCoO3纳米岛阵列。由于钴氧化物薄膜在纳米岛内外的晶格失配应力状况不同，呈现出截然不同的自旋态和宏观磁性。利用磁力显微镜和氮空位中心磁力仪，研究团队证实了单个纳米岛表现为铁磁性，而岛外表现为非磁性特征，每个磁畴彼此间相互独立，可以使单个磁存储器元件分开，从而进一步减少信号的串扰。此外，本方法具有普适性，能够在硅基、玻璃和柔性衬底上进行高密度纳米岛的转移和制备，为以后使用各种薄膜外延技术制造纳米级磁性元件提供了切实可行的技术路径。本项工作的相关内容以“Magnetic Nanoislands in a Morphotropic Cobaltite Matrix”为题发表在Advanced Functional Materials上。博士生陈盛如与中国地质大学(北京)的联合培养硕士生荣东珂为共同第一作者，郭尔佳特聘研究员和金奎娟研究员为共同通讯作者。

　　此外，研究团队利用同样的方法，将材料体系进一步拓展到室温铁磁性薄膜。利用自支撑薄层独立于衬底的晶相和应力的特性，构建了原子尺度平整界面的锰氧化物同质结。通过应力分析，该同质结具有明显的结构调制和清晰的晶界，为后续铁性氧化物构中构建纳米级单元奠定了材料基础。本项工作的相关内容以“Lateral strain tailoring in manganite homostructures assisted by atomic-flat freestanding membranes”为题发表在Nano Research上。北京化工大学联合培养的本科生王宇飞为第一作者，北京科技大学博士后朱玉辰和中科院物理所的郭尔佳特聘研究员为共同通讯作者。

　　以上工作还得到了中国科学院物理研究所刘刚钦特聘研究员、张庆华副研究员、清华大学谷林教授、国家纳米中心郑强研究员、中国科学院高能物理研究所王嘉欧研究员和北京师范大学张金星教授在NV色心磁力计、扫描透射电镜、扫描电镜、X射线吸收谱和磁力显微镜实验方面的大力支持。这两项工作得到了国家重点基础研究计划项目、国家自然科学基金委面上和重点项目、粤港澳中子散射重点项目、中国科学院B类先导和依托大科学装置开展建制化科研项目的支持。

　　相关工作链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202302936
　　https://link.springer.com/article/10.1007/s12274-023-5618-x


图1. 异晶面同质结的结构示意图、高分辨扫描透射电镜图和不同区域的磁性随温度变化关系。


图2. 高密度自支撑纳米岛阵列的制备步骤、AAO掩模版和纳米岛的扫描电镜图、单个纳米岛的截面高分辨透射电镜图。