再次控制：由于Fe / BaTiO3中的电压导致磁方向发生变化

物理现象和过程存在于我们周围的所有事物中（化学现象也存在，但今天不存在）。 坐在计算机上-物理，在窗外看鸟儿-物理，将肉过度暴露于火中，变成肉，这也是物理。 从宇宙的巨大物体到最小的物体，到处都有物理学的各种表现形式-性质，特征，现象和过程。 几乎了解一个过程的所有知识，许多科学家想得到什么？ 当然可以。 物理过程的控制可以带来很多有用的好处，但是实现这种控制是一个非常复杂的过程，通常与不完全清楚的事物相关联。 今天，我们将考虑一项研究，其中一组科学家决定证明磁电（ME）效应的功能，或者更确切地说，如何通过室温下的电场来控制磁取向和有序化。 这是如何实现的，从中得到什么以及前景如何？ 与往常一样，答案在研究组的报告中等待着我们。 走吧

学习基础

正如序言中已经提到的，这项研究中的所有内容都是基于磁电（ME）效应的。 那是什么 ME效应是磁力与电场之间的关系-外部磁场中的极化或外部磁场中的磁化。 一个加强了另一个。 有趣的事情，但在温度方面非常挑剔。 在大多数具有ME效应的单晶材料中，居里温度非常低，也就是说，仅在明显低于室温的温度下才能表现出这种效应。 尽管它有很多用处，但它极大地限制了ME效应的实际应用。

可以使用不是单结构的材料（由一种物质组成，而是由多种，更确切地说是铁氧体和压电材料组成的复合材料）纠正这种烦人的缺点。 从磁场的角度来看，铁氧体对外部电场非常敏感。

研究人员自己是第一手知道的，并举例说明了铁磁性的Fe（铁）和BaTiO ₃ （钛酸钡，BTO）的复合物，它既是铁电的又是铁弹性的（SC）。

铁电性（或铁电性）*是即使没有外部电场，在一定温度下晶体中的自发极化现象。

铁弹性体称为单晶物质，其晶格会随着温度和相变的降低而自发变形。

此外，研究人员不仅希望获得对整个异质结构的控制，而且还希望获得对单个纳米结构和纳米颗粒的控制。 这对于控制超顺磁性Ni纳米粒子电场的最新研究可能有用，因为这可以通过影响可变电压的磁弹性各向异性来控制纳米级的磁性。

在这项工作中，科学家决定通过分析在BaTiO ₃衬底（5x5 mm，0.5 mm厚）上生长的Fe纳米晶膜的磁畴结构来更详细地研究ME效应。 根据科学家的说法，他们能够证明超顺磁性粒子在室温下可以表现出超铁磁态的特性，这是由于电场对磁弹性各向异性的影响。

在室温下，BTO晶格是四方的（c =4。036Å，a = b = 3.992）。 FE晶体的偏振始终沿c轴定向。 此外，具有区域的FE区域a1-a2，其中极化和四方晶格的方向在相对于基板的两个正交方向之间交替，并且沿[110] _pc的畴壁与具有平面内/平面外极化的区域a – c和a – c共存和沿[100] _pc和[010] _pc的畴壁。

Å是长度（在我们的情况下为厚度）的测量单位，1Å= 10 ^-10 m或0.1 nm。

畴区a ₁和a ₂导致基板本身中晶格（c-a）/ a的1.1％单轴变形，以及各向同性变形的畴区（a = b）。

值得注意的是，Fe膜的厚度梯度区域（从几何学角度来看为“楔形”）宽30μm，将样品分为两半。 在此部分中，Fe（t _Fe ）的厚度沿[¯100] _pc BTO方向从0.5到3 nm（纳米）变化。 在所有其他区域，Fe的厚度均保持不变：0.5 nm或3 nm。 科学家使用X射线吸收光谱（RAS）和X射线磁性圆二色性（RMCD）确认了楔形的状态。

X射线磁性圆二色性*是在具有左右圆偏振光的磁场中获得的两个PAC光谱之差。

此外，样品涂覆有3nm厚的Al保护膜。 使用X射线电子发射显微镜进行测量后，通过透射扫描电子显微镜验证了样品的原子结构。

研究成果

图片编号1

首先简要介绍一下我们在上面看到的内容。 图像1a和1b分别是来自Fe L ₃和Ti L ₂边缘的X射线吸收光谱图像。 这些图像确认了Fe膜厚度的梯度，从而减弱了来自BTO（ 1c ）的Ti信号。

扫描水平偏振入射X射线辐射的能量，就有可能获得Ti L _2,3和Fe L _2,3 （ 1d ）的空间光谱。 没有观察到关于Fe楔形区域上的Ti L2.3的光谱形状的变化。 与Fe LL _2,3不同，光谱的形状随铁膜的厚度而变化。 这些变化最好在边缘（ 1e ）的光谱区域L _2中看到，其中铁的氧化度变化会影响光谱的形状。

因此，具有最大厚度（3μm）的Fe膜部分的光谱与块状Fe的光谱相似，但是当将膜减薄至实验最小值0.5μm时，该光谱获得了FeO _x特征（在1处用黑色箭头标记）。

这样的观察是在主要的Fe和BaTiO ₃层之间存在中间的FeOx层的实际证据，其厚度应约为2-3。

Fe（ 1f ）楔形区域域的RCDM的磁对比图像没有显示FE / BTO域区域的印记（效果）。 相反，基于磁致伸缩原理，科学家期望得到此类印刷品。

磁致伸缩* -由于其磁化强度的变化而导致的体积和大小的变化。

同时，科学家注意到，没有这样的印记并不排除在衬底和铁膜之间存在轻微的形变转移，即，晶格失配小于10％。

同样在图像1f中，随着铁膜厚度的变化，我们看到顺磁（白色）和铁磁状态（蓝色）之间有清晰，清晰的过渡。 楔形轮廓的RCDM与Fe（ 1g ）沿一条线的厚度轮廓的比较显示出临界膜厚度（t _FM ）为13，在这种情况下会发生从一种磁性状态到另一种磁性状态的急剧转变。

在此重要的是要注意，在320 K的温度下，高度有序的相干外延膜中铁磁体的临界厚度值约为1个单原子层。 这远小于所研究复合材料的情况。 因此，这表明在t _Fe <t _FM处 ，即在Fe的厚度（在实验中）大于铁磁体的厚度（在理论上）存在超顺磁性状态。 这可能是由于薄膜的纳米晶体结构。


图片编号2

上图是具有最大铁膜厚度（3μm）的区域的暗场显微镜检查的结果。 在这里，我们看到了具有2-3 nm晶粒（微晶）的纳米晶结构的均匀Fe层。 在这种情况下，这些晶粒之一的平面距离为2.86Å，与铁晶格的体心对称（对称）相关。


图片编号3

现在最重要的是磁电效应及其对电压的依赖性。

在开始电压测试之前，首先将样品冷却至60 K，然后再次加热至320K。此过程改变了铁层磁畴的初始结构。

图像3a显示了V = 0 V时的RCDM图像，也就是说，在样品的给定部分上没有电压影响。 在铁磁楔的加厚区域中，其壁沿[110] _pc定向的磁畴（蓝色和白色条纹）清晰可见。 这些磁畴区域内的磁化方向“沿着” [010] _pc / [0′10] _pc （新的白色条纹）或沿着[100] _pc （原始的蓝色条纹）“移动”。 具有相对于初始位置旋转90°的位点的形成的磁畴的类似结构可以与上述热循环或由于铁弹性而在该循环中的温度差相关。

此外，样品暴露在V = +74 V的电压下，这使磁畴更加清晰（ 3b ）。 经过一个小时的电压后，可以看到新的磁畴，其方向为[100] _pc （蓝色）或[010] _pc / [0¯10] _pc （白色）。 如图3c所示。 根据科学家的说法，在[100] _pc方向上的新区域区域类似于铁弹性壁a ₁ -c。 这意味着将BTO衬底转化为^V ₁ -c ^V铁磁（SC）。

3d图像显示已经在170 V电压下的所有磁畴区域。根据磁方向，每个区域都用拉丁字母标记：

α-[010] _pc / [0¯10] _pc （白色区域）；
β-[100] _pc （蓝色区域）；
γ是保留了前铁弹性域a ^T ₁ -a ^T ₂的烙印的区域。

电压的增加导致域区域的位置发生位移和交换。 从理论上讲，几个不同磁畴区域的共存是可以理解的，但是在实践中却首次得到证明。

科学家没有看到沿[100] _pc轴的磁畴对铁膜厚度梯度的任何特定依赖性。 但是，与此同时，他们注意到电压的作用导致铁磁特性的增加接近于Fe的最小厚度（在β区域）。

此外，用+170 V至-170 V的电压进行曝光，这证实了科学家关于β区域的上述陈述。


图片编号4

如果比较3d和4a的图像，则可以看到这些区域的变化（先扩大，然后缩小）。 这与随时间推移发生的多晶材料变形的松弛有关。 仅Fe层的那些区域保持不变，其中BTO域最近才转变。 图片4b和4c沿[100] _pc显示虚线，指示从α到β跃迁发生的区域。

曲线图4d示出了对铁磁区域的范围的分析结果。 我们看到，沿[100] _pc，长距离磁阶的增长扩展到1.3μm。

远距离磁阶* -原子磁矩的取向顺序，其延伸距离远大于原子间的距离。

要更详细地了解研究的细微差别和细节，强烈建议您查看研究小组的报告 。

结语

可以从该实验得出的最基本结论是，通过一定电压对样品的控制作用，铁磁性向Fe层较窄区域的局部扩展是可行的。 科学家将此过程归因于与铁晶体相关的磁各向异性的磁弹性变体，这反过来导致在室温下出现超顺磁性/超铁磁性转变。

这项研究使我们更进一步地了解了如何控制电场中的磁序，同时使用薄膜结构而非单晶结构来控制铁磁畴的尺寸，将其减小为FE畴的尺寸。

再次控制。 仅仅了解我们周围的某些物理或化学过程是如何发生的，我们想控制它们是不够的。 科学家们正在尽一切可能遏制那些迄今为止被认为仅受自然本身控制的过程。 我们只能希望，像我们今天审查过的那样，这些研究将针对创造，而不是破坏。

谢谢大家的关注，保持好奇心，祝您工作愉快。

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