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超薄锰氧化物薄膜中的挠曲磁效应研究取得新进展 Engineering |
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论文标题：Magnetic Interactions with Strain Gradient in Ultrathin Pr0.67Sr0.33MnO3 Films
期刊：Engineering
DOI：https://doi.org/10.1016/j.eng.2024.04.014
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中山大学物理学院、广东省磁电物性分析与器件重点实验室张帮敏副教授与新加坡国立大学Gan Moog Chow教授团队合作，在《Engineering》上发表了一篇题为“Magnetic Interactions with Strain Gradient in Ultrathin Pr0.67Sr0.33MnO3 Films”的研究论文，揭示了超薄Pr0.67Sr0.33MnO3（PSMO）薄膜中应变梯度对磁相互作用的影响，为理解异质结界面耦合效应提供了新的视角。
应变梯度是指材料内部应变在空间上的变化率，它在低维材料的界面处普遍存在。在异质结中，由于薄膜厚度极小（通常只有几纳米），界面附近的晶格常数逐渐变化（即应变梯度）对材料的物理性质有着显著影响。此前，应变梯度对铁电材料的研究已较为广泛，但在磁性材料中的研究相对较少。ABO3钙钛矿结构的锰氧化物，这类材料的晶体结构、自旋、电荷和轨道结构之间相互耦合，展现出丰富的物理特性。由于锰氧化物对其晶体结构的敏感性，具有不同应变梯度的锰氧化物薄膜值得进一步研究。
研究团队通过脉冲激光沉积技术，在不同基底（包括KaTiO3、SrTiO3、(La,Sr)(Al,Ta)O3、LaAlO3和YAlO3）上制备了8nm、12nm和30nm厚的PSMO薄膜。这些基底的晶格常数与PSMO薄膜的晶格常数存在差异，从而在薄膜中引入了不同程度的面内应变。通过X射线衍射、超导量子干涉装置（SQUID）和物理性能测量系统（PPMS）等手段，研究团队对薄膜的晶体结构和磁性能进行了详细表征。
实验结果显示，在不同应变条件下，PSMO薄膜的饱和磁化强度和居里温度可以通过双交换相互作用和Jahn-Teller畸变定性解释。然而，零场冷却（ZFC）和5T强场冷却（5T-FC）后的饱和磁化强度差异与应变梯度成正比。具体而言，对于在SrTiO3（STO）基底上生长的PSMO薄膜，其应变梯度最大，对应的饱和磁化强度差异也最大，达到38emu/cc。这一结果表明，应变梯度诱导的结构无序增强了声子-电子相互作用和反铁磁相互作用，而强场冷却可以促进反铁磁-铁磁相变，从而增加饱和磁化强度。
图1 PSMO 薄膜在KTO（a）、STO（b）、LSAT（c）和LAO（d）基底上的(–103) RSM；（e）PSMO薄膜的(002) l线扫描；（f）晶格常数和磁性之间的关联曲线。M：磁化强度；MS,ZFC：ZFC后的饱和磁化强度；MS,5T-FC：5T-FC后的饱和磁化强度；MDiff：MS,ZFC和MS,5T-FC之间的差异。对于倒易空间中的任何矢量，其沿基础矢量 a* 方向（此处与平面内a方向平行）的分量标记为无量纲数H（用该分量除以 a*），其沿基础矢量 c*方向（此处与平面外c方向平行）的分量标记为无量纲数L（用该分量除以 c*）。1 emu/cc = 1000 A/m。
进一步的结构表征发现，STO基底上的PSMO薄膜中MnO6八面体绕面外c轴的旋转呈现出非单调变化，这种变化有效地增加了薄膜中的应变梯度。研究团队还通过威廉姆森-霍尔（W-H）曲线分析了薄膜中的应变梯度，发现应变梯度与ZFC和5T-FC后的饱和磁化强度差异密切相关。此外，研究还表明，应变弛豫现象也可以在几乎无应变的区域引起应变梯度，从而影响磁性能。
此项研究不仅证明了超薄锰氧化物薄膜中存在挠曲磁效应，还揭示了应变梯度通过增强反铁磁相互作用和声子-电子相互作用来影响磁性能的微观机制。这一发现为设计新型磁性材料和器件提供了新的思路，尤其是在纳米尺度下调控磁性能方面具有重要意义。未来的研究可以进一步探索具有更大自旋轨道相互作用和非单调结构转变的材料体系，以实现更强的挠曲磁效应。
论文信息：
Bangmin Zhang, Ping Yang, Jun Ding, Jingsheng Chen, Gan Moog Chow. Magnetic Interactions with Strain Gradient in Ultrathin Pr0.67Sr0.33MnO3 Films. Engineering, 2024, 40(9): 158–165
开放获取：
https://doi.org/10.1016/j.eng.2024.04.014
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