金屬所等在四氧化三鐵界面磁性耦合研究中取得進展

　　中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家（聯合）實驗室固體原子像研究部研究員陳春林與日本東京大學教授Yuichi Ikuhara等人合作，利用掃描透射電鏡差分相襯成像技術（DPC STEM）實現了對Fe3O4孿晶界面磁性耦合的直接測定，在原子尺度上揭示了Fe3O4孿晶界面的原子/電子結構與其界面磁性耦合之間的直接關系。研究發現，Fe3O4孿晶界面的磁性耦合具有鐵磁耦合與反鐵磁耦合兩種不同的類型，界面上的磁性耦合類型取決于孿晶界面兩側幾個原子層范圍內的原子與電子結構。

　　界面磁性耦合是磁性材料研究領域的基礎科學問題，對理解多晶磁性材料的磁學行為進而調控其磁學性能至關重要。以往的研究已經認識到磁性材料中的界面/晶界等缺陷會對其磁學性能產生不利影響。然而，目前主流的研究方法仍是通過比較單晶材料與多晶材料磁學性能的差異來研究材料界面/晶界對其磁學性能的影響，研究方法固有的局限性導致相關研究工作無法深入開展。由于材料中界面/晶界等缺陷種類繁多，比較差異的研究方法所得到的結果是材料中所有缺陷結構共同作用的綜合效果，因此無法建立界面/晶界結構與其磁學性能之間一一對應的直接關系。揭示磁性材料界面結構與界面磁性耦合之間交互作用的內在機理是一個具有挑戰性的研究工作。

　　陳春林等對Fe3O4孿晶界進行了系統的STEM高角環形暗場像（HHADF）與環形明場像（ABF）結構表征，發現Fe3O4孿晶界可形成三種不同的原子結構，并運用STEM電子能量損失譜（EELS）分析了此三種孿晶界面的電子結構。在此基礎上，利用差分相襯成像技術（Differential phase contrast imaging）直接測定了此三種孿晶界面的磁性耦合類型，確立了孿晶界原子/電子結構與其界面磁性耦合之間一一對應的直接關系；綜合電子顯微成像與磁性耦合測試所得的結果，通過基于密度泛函理論的共線磁結構計算，闡明了Fe3O4孿晶界原子/電子結構影響其界面磁性耦合的機理。該項研究實現了對傳統研究方法的突破，為多晶材料界面磁學行為與性能的研究開辟了廣闊前景。

　　相關研究成果發表在ACS Nano上。該研究得到了中科院前沿科學重點研究項目、國家自然科學基金與國家青年千人計劃等的資助。