中科院物理所课题组 2009 年课题总结报告 -2010-04-24 磁性纳米结构与磁共振 成昭华 孙阳 张向群 杨海涛 何为 中国科学院物理研究所磁学国家重点实验室 M04 组
研究队伍 一 课题组简介 磁性纳米结构 杨海涛 何为 磁共振与超快过程 张向群 氧化物单晶与多晶 承担项目 973 项目 基金委重点项目 基金委面上基金 中科院设备研制 博士生 7 人硕士生 2 人 发表论文 18 篇, 其中 PRL,PNAS, Adv. Mater. 各 1 篇申请发明专利 1 项
磁性纳米结构与磁共振 单晶生长炉 (2002) 电化学实验室 (2003) 一 课题组简介 MBE/SPM/SMOKE/MS(2004) 电极磁输运 (2002) 穆斯堡尔谱仪 (2003) 电子自旋共振 (2006)
杨海涛宋宁宁 磁性纳米结构与磁共振 磁性纳米颗粒的自组装生长 syringe (2009) synthesis Thermometer 一 课题组简介 Size-selective Glove box (O 2, H 2 O <1ppm) drop Self-assembly
何为刘郝亮, 吴琼 Focusing lens 磁光克尔显微镜的搭建 Magnetic sample Objective Beam splitter (2009) Optical fiber Light source Glan-Thomson polarizer Rochon analyzer CCDcamera 1.0 63Oe 70Oe 77Oe M/Ms 0.5 0 50 100 150 200 250 300 time(sec.) 20um 70Oe 20um 77Oe
高磁灵敏 微区磁动力学过程探测系统研制 Temporal resolution: Time delay: 10 fs=3*10 8 X10-14 =3*10-6 m
二 主要工作进展 准一维 Fe,Co 纳米链的磁各向异性的调控 ( 何为 孙达力 杜海峰 房亚鹏 成昭华 ) 锰氧化物单晶的异常大的各向异性磁电阻 ( 合作 PNAS) ( 李润伟 成昭华 沈保根 ) 钙钛矿锰氧化物的时间分辨电子相分离 ( 合作 PRL) ( 沈健 张向群 成昭华 ) 脉冲电压对多铁材料磁化强度的调控 ( 孙阳, 李长辉, 张向群, 成昭华 )
李润伟 成昭华 沈保根
沈健 张向群 成昭华
准一维磁性纳米链单轴磁各向异性的人工调控 磁各向异性的重要性 1. 低维体系中长程磁有序的来源 ( 磁性量子理论 ) 2. 磁性材料的主要参数 高矫顽力 高频特性 超高密度磁记录 三 研究工作选介
Petabyte and Areal Density Growth (2006 = 1) 25 20 15 10 5 硬盘存储器工业的主要推动力 五年内的世界总信息存储需求量将在现有基础上骤增 20 倍 总存储量增长幅度 存储密度年增长率 70% 存储密度年增长率 40% 0 2006 2007 2008 2009 2010 2011 Average Petabyte Growth Year on Year From 1995 to 2005 was > 85%, Seagate Analyst & Investor Meeting June 2006
磁存储介质发展趋势 E. A. Dobisz, et al., Proc. IEEE 96,(2008), 1836 分立存储介质 H 传统存储介质 Ferro Non-mag
磁存储分立介质设计的三个相互制约的困难 SNR~log 10 (N) 高密度 ( 尺寸小 V ) 热稳定性 ( 高各向异性 K u ) 可写入性 ( 低矫顽力 H 0 ) EB KuV 1 3/ 2 Hd 0 H H 2 K M N M u 0 eff S S K u V = 40-60 k B T Spin-ice ice? H 0 < 磁头写入场
准一维磁性纳米链单轴磁各向异性的人工调控 Pb / Si(111) 0.1 度斜切 500 500 衬底修饰对磁各向异性的调控 Pb / Si(111) 4 度斜切 500 500 L L T 0.84ML Fe islands on Pb ( 18ML ) / Si (200nm 200nm) 1.27ML Fe wires on Pb ( 18ML ) / Si (300nm 300nm)
准一维 Fe 磁性纳米链单轴磁各向异性的人工调控 SMOKE 信号垂直于膜面 3.1 ML 115K SMOKE 信号平行于线 3.1 ML 115K SMOKE 信号与线成 60 度角 3.1 ML 300K SMOKE 信号与线成 90 度角 3.1 ML 300K SMOKE 信号垂直于线 3.1 ML 115K Shape anisotropy
. cos2 4 ) cos( cos 2 4 ) cos( 2 2 S u H S u eff H M K H M K M H 利用电子自旋共振确定磁各向异性 g=2.03, 2K u /M S =150 Oe, and 4πM eff =3.51 koe, K u = 1.275 10 5 erg/cm 3 准一维 Fe 磁性纳米链单轴磁各向异性的人工调控
磁晶各向异性的贡献 Fe/FeSi 2 /Si(111
准一维 Co 磁性纳米链单轴磁各向异性的人工调控 Percentage 2.25 ML 2.5 ML Diameter ( nm ) 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 6 0.40 4 0.15 2 Co nanochains Co 3.0 ML 0.10 Co 2.75 ML Co 2.5 ML 0.05 Co 2.25 ML 0 0.00 0 2 4 6 Diameter ( nm ) Co nanodots Co 2.75 ML Co 3.0 ML Co 3.25 ML Co 3.5 ML 0.35 0.30 0.25 0.20 Percentage 2.75 ML 3.0 ML 2.75 ML 3.0 ML Height ( nm ) 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 1.8 0.60 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 Percentage 0.55 0.50 0.45 0.40 0.35 0.30 0.25 0.6 0.20 0.4 Co nanochains Co 3.0 ML 0.15 Co 2.75 ML 0.10 0.2 Co 2.5 ML CO 2.25 ML 0.05 0.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 0.00 Height ( nm ) Co nanodots Co 2.75 ML Co 3.0 ML Co 3.25 ML Co 3.5 ML Percentage 3.25 ML 3.5 ML
Magnetic domain structure of Co nanochains 1000nm 1000nm Bloch domain wall L dw 2A K u A=30 10-12 J/m L dw 120 10-9 m K u = 4.1 10 4 J/m 3 Neel domain wall
准一维 Co 磁性纳米链单轴磁各向异性的人工调控 2.5 ML 2.75 ML 3.0 ML Co nanochain Kerr intensity (arb.unit) 124 K 162 K 185 K 242 K Kerr intensity (arb. unit) 124 K 178 K 237 K 300 K Kerr intensity ( arb. unit) 124 K 178 K 237 K 300 K -480-240 0 240 480 Magnetic field (Oe) -480-240 0 240 480 M agnetic field (O e) -200-100 0 100 200 Magnetic field ( Oe ) 3.0 ML 3.25 ML 3.5 ML Co nanodots Kerr intensity ( arb. unit ) 124 K 148 K 175 K 210 K Kerr intensity ( arb. unit ) 124 K 169 K 218 K 250 K Kerr intensity ( arb. unit ) 124 K 182 K 240 K 300 K -200-150 -100-50 0 50 100 150 200 Magnetic field ( Oe ) -200-100 0 100 200 Magnetic field ( Oe ) -300-200 -100 0 100 200 300 M agnetic field ( Oe )
准一维 Co 磁性纳米链单轴磁各向异性的人工调控 Co nanochain Co nanodots 1.2 0.9 Co 3 ML Co 2.75 ML Co 2.5 ML 0.9 0.6 Co 3.5 ML Co 3.25 ML Co 3.0 ML M r /M s 0.6 M r /M s 0.3 0.3 = 0.41 = 0.36 =0.58 =0.5 0.0 Tc=242 K Tc=315 K 0.0 Tc=210 K Tc=250 K 120 150 180 210 240 270 300 330 Temperature ( K ) 120 150 180 210 240 270 300 Temperature (K) Two Questions 1. Enhancement of T C? 2. Magnetic Anisotropy?
Effect of dot-dot interaction on magnetic properties Monte Carlo Simulation
Effect of dot-dot interaction on magnetic properties Nanodots with random distribution Dot-dot interaction
Effect of dot-dot interaction on magnetic properties
磁性纳米结构人工设计和可控生长 ; 下一步研究计划 Smaller, Faster, Stronger MBE 自组装浮区熔炼 低维受限系统的磁性 自旋超快自旋动力学 SMOKE Signals (arb.units) 1.008 1.006 0.84 ML Polar 1.006 0.84 ML Longitudinal 1.004 1.004 1.002 1.002 1.000 1.000 0.998 0.998 0.996-400 -300-200 -100 0 100 200 300 400 Magnetic Field (Oe) SMOKE signals (arb.units) 1.014 1.014 3.8 ML Polar 1.012 1.012 3.8 ML Longitudinal 1.010 1.010 1.008 1.008 1.006 1.006 1.004 1.004 1.002 1.002 1.000 1.000-400 -300-200 -100 0 100 200 300 400 Magnetic Field (Oe) SMOKE Signals (arb.units) 1.016 1.014 1.012 1.010 1.008 1.006 1.004 1.002 1.000 0.998 1.7 ML Polar 1.7 ML Longitudinal -400-300 -200-100 0 100 200 300 400 Magnetic Field (Oe) 1.014 1.012 1.010 1.008 1.006 1.004 1.002 1.000 0.998 0.996
致 自课题组 2001 年成立以来, 得到科技部, 基金委, 科学院和物理所的资助和支持, 先后有 45 人为课题组的建设和发展做出了贡献, 在此一并感谢! 科技部 基金委 科学院 物理所 谢