中科院物理所课题总结与开题报告 磁性纳米结构与磁共振 成昭华, 孙阳, 张向群 中国科学院物理研究所磁学国家重点实验室 1. 科学意义 2. 2005-2007 工作总结 3. 实验条件 4. 研究队伍和承担项目 5. 拟研究内容以及预期成果
一 科学意义 超高密度磁存储与超顺磁极限 宏观量子效应和量子隧穿 交换作用 ΔE 各向异性 维度与磁性的关系 维度与电子态的关系 Magnetization (arb.unit) Fe on Cu(111) 2D 1D 0D -6000-4000 -2000 0 2000 4000 6000 Magnetic field (Oe) T = 45 K Cu(111) Cu(111) Cu(111) m =2.2 μ Β m =0.5 μ Β m =2.2 μ Β remanent magnetization (arb.unit) 0D 1D 2D Mr-2D Mr-1D Mr-0D 0 50 100 150 200 250 300 Temperature (K) 三维 二维或一维
单晶生长 磁性纳米结构与磁共振 磁性超薄膜 磁性纳米点 磁性纳米线 外延生长 单晶衬底 表面磁光科尔效应 电子自旋共振 穆斯堡尔效应 1.014 1.7ML Longtitual 1.3ML Longtitual 1.011 Kerr signals ( a. u ) 1.008 1.005 1.002 0.999 0.996-400 -300-200 -100 0 100 200 300 400 Hext ( Oe )
Non-magnetic 57 Fe(3Å) 56 Fe(100Å) 磁共振研究独特性 一 科学意义 选择性微区测量 Short Time Scale Non-magnetic 56 Fe(xÅ) 57 Fe(3Å) 56 Fe(100Å) 微观磁性 自旋动力学过程 线宽 ΔH pp : 自旋 - 晶格弛豫时间 T 1, 自旋 - 自旋弛豫时间 T 2 ; g 因子 : 自旋角动量 S 和轨道角动量 L 对电子磁矩的贡献大小 ; 强度 I: 自旋磁化率
二 2005-2007 工作总结 MnSi 磁性半导体超薄膜可控生长和磁性调控 磁性纳米线的低温强磁场穆斯堡尔和反磁化机理研究 纳米磁体 / 超导异质结的磁性及自旋调控 超大磁电阻锰氧化物单晶的电致电阻和电子自旋共振研究
二 工作总结 MnSi 磁性半导体超薄膜的可控生长和磁性调控 M M 晶格失配 电导失配 自旋注入困难
Si 表面外延生长金属和金属 Si 化物 FeSi, CoSi, NiSi 弱磁或非磁 二 工作总结 MnSi 铁磁性金属 MnSi Si(111) C. Pfleider, PRB,55,8330(1997)
MnSi 超薄膜的磁性与电性调控 二 工作总结 三维 二维或一维 维度? MnSi MnSi Si(111) Si(111) 应力?
二 工作总结 原子级平整磁性超薄膜的可控生长与原位表征 0.02ML 1.6ML 2.4ML 6ML 250 250nm 2 250 250nm 2 1000 1000nm 2 1000 1000nm 2 32eV 47eV 47eV 90eV
厚度度诱导的金属 - 半导体转变 24ML 6ML 4ML 二 工作总结 R (Ohm) 40 24ML 30 20 10 0 20 40 60 80 100 Temperature (K) 30 R(Ohm) 1000 800 6ML 600 0 20 40 60 80 100 Temperature (K) 880 R(Ohm) 7500 5000 2500 4ML 0 20 40 60 80 100 Temperature (K) 7500 R(Ohm) 24 18 12 R = R 0 + AT 6 0 400 800 1200 1600 T 2 (K 2 ) 2 R(Ohm) 860 840 820 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 lnt R (Ohm) 7000 6500 6000 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 lnt 弱巡游电子铁磁性 二维弱局域化
同时具有铁磁性和半导体特性的磁性超薄膜 Hall Effect 二 工作总结 M(emu) 6.0x10-5 3.0x10-5 0.0-3.0x10-5 6ML R H (Ω) 40 2KR 5KR 10KR 30 20KR 30KR 40KR 50KR 20 10 6ML -6.0x10-5 -9-6 -3 0 3 6 9 H(kOe) R H = R 0 H + R S M 0 0 20 40 60 80 100 H (koe) Si: n-type, MnSi P-type
TMR (%) TMR (%) 二 工作总结 磁性纳米线的磁各向异性与反磁化机理研究 量子硬盘 [110] RA(kΩ μm 2 ) S.Y. Chou, Proc. IEEE 85, 652 (1997). [110] [100]
二 工作总结 利用低温强磁场研究了 Fe 纳米线的形状各向异性 3:2:1:1:2:3 random γ-ray 3:0:1:1:0:3 3:4:1:1:4:3 θ H Moment The area ratio among the six lines is 3:b:1:1:b:3. b is the area ratio between A 2,5 /A 3,4, and is given by 4 b cosθ = 4 + b θ is the angle between Fe moment and γ-ray
二 工作总结 利用低温强磁场研究了 Fe 纳米线的形状各向异性 γ-ray Applied Field Absoption (%) 1.00 0.98 15KOe 0.96 1.00 0.98 10KOe 0.96 1.00 0.98 7.5KOe 0.96 1.00 0.98 0.96 5KOe 1.00 0.98 0.96 2.5KOe 1.00 0.98 0.96 0KOe -10-5 0 5 10 Velocity (mm/s) W = K sin 2 θ μfeh app n π cos( θ ) 2 K 7.3 10 6 (ergs/cm 3 ) 14 K 1
Fe3Pt 磁性纳米线的反磁化机理 二 工作总结 H=-3.0kOe +1 +0.6 0 d=10nm 的阵列 5K 时的磁滞回线 实验结果 :Hc=2.72 koe 模拟结果 :Hc=2.86 koe M z /M s -0.6-1 d=10nm 的 4 4 阵列 Hext =-3.0kOe
纳米磁体 / 超导异质结的磁性及自旋调控 二 工作总结 超导对纳米磁体的磁性及自旋调控? Mona Berciu Nature 435, 71-74(2005)
超大磁电阻锰氧化物中的电致电阻与电子自旋共振 电致电阻与相分离电子自旋共振 CMR 二 工作总结 ρ (mω.cm) 50 40 30 20 10 0-80 -40 0 40 80 120 160 I (ma) ER(%) 100 80 60 40 120K 20 115K 0 0 20 40 60 80 100 I(mA) 5K 100K 115K 120K 125K 130K ESR signal (arb. units) Intensity (arb. units) 0 FM signal PM signal (g ~ 2) La 2-2x Sr 1+2x Mn 2 O 7 (x=1/3) H // ab FMR 150 200 250 300 350 T (K) T = 250 k T = 295 K T = 327 k T = 350 k 1 2 3 4 5 6 7 H (koe) Resistivity (Ω cm) 0.12 0.10 0.08 0.06 0.04 0.02 0.00 (a) H // ab La 2-2x Sr 1+2x Mn 2 O 7 (x = 1/3) H = 0 H = 10 koe H = 50 koe (a) (b) Resonance field (koe) 7 6 5 4 3 2 1 H // c H // ab La 1.4 Sr 1.6 Mn 2 O 7 La 1.2 Sr 1.8 Mn 2 O 7 (La 0.8 Eu 0.2 ) 4/3 Sr 5/3 Mn 2 O 7 T* FM signal PM signal 300 320 340 360 380 T (K) MR (%) 0-1000 -2000-3000 -4000 (b) 10 koe 50 koe T (K) 200 250 300 350-5000 0 50 100 150 200 250 300 350 400 T (K) T* (c) (d)
二 工作总结 发表文章及会议报告 (2005-2007) Physical Review Letters 2 篇 Applied Physics Letters 7 篇 Physical Review B 12 篇 其他 SCI 30 篇 国际会议邀请报告 3 次 国内会议特邀报告 9 次 组织国际学术会议 2 次 组织国内学术 9 次 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 Number 35 30 25 20 15 10 5 0 Publication Summary Total Publication First author High Quality Journals 培养研究生 20 人, 其中 11 人获博士学位,1 人硕士学位 Year
获奖情况 1. 2005 年北京市科学技术一等奖 ( 沈保根, 成昭华 张宏伟 张绍英 赵同云 ) 2. 2006 年第九届中国青年科技奖 ( 成昭华 ) 二 工作总结
三 实验条件 单晶生长炉 (2002) 电化学实验室 (2003) MBE/SPM/SMOKE/MS(2004) 多电极磁输运 (2002) 穆斯堡尔谱仪 (2003) 电子自旋共振 (2006)
四 研究队伍和承担项目 磁性纳米结构生长 博士生 磁共振 成昭华杰出 + 百人孙阳百人计划张向群工程师 10-15 人 低维磁性微观磁性 杰出青年基金 B 基金委面上基金 中科院百人计划 基金委创新群体 重大科技专项 863 承担项目
五 研究内容及预期成果 1. 新型磁性纳米结构的可控生长 掩膜板和分子自组装等化学工艺, 制备纳米颗粒或磁性量子点
五 研究内容及预期成果 2. 低维小尺度受限系统的微观磁性与自旋动力学 57 Fe(3Å) 56 Fe(100Å) 56 Fe(xÅ) 57 Fe(3Å) 56 Fe(100Å) Kerr signals ( a. u ) 1.014 1.7ML Longtitual 1.3ML Longtitual 1.011 1.008 1.005 1.002 0.999 0.996-400 -300-200 -100 0 100 200 300 400 Hext ( Oe )
五 研究内容及预期成果 3. 磁性纳米结构的人工设计与计算机模拟
五 研究内容及预期成果 4. 纳米磁体 / 超导体异质结构的自旋调控 1. Flux pinning in superconductor by nanomagnets nanomagnet: size, shape, structure superconductor: low-tc, high-tc 2. Manipulate spin tunneling using a superconductor enhance tunneling rate remain degeneracy quantum coherence Y. Sun et al., Phys. Rev. Lett. 92, 097002 (2004). S
六 机遇与挑战 S.D. Bader RMP (2006)? Ultra Strong Permanent Magnets Ultra High Density Media Nano-Bio Mag. Sensors Spin Transistor With Gain Computer From Test Tube Grand Challenges in Nanomagnetism ~100% Spin Polarized Materials Hierarchically Assembled Media Spin-Based Qubits Magnetic Logic Instant Boot-up Computer RT Magnetic Semiconductors
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 30 人为课题组的建设和发展做出了贡献, 在此一并感谢! 谢 MOST NSFC CAS IOP