近日，Nano Letters在線刊登了材料與環(huán)境工程學院張雪峰教授團隊的研究論文“Spontaneous Formation of Ordered Magnetic Domains by Patterning Stress”。該工作利用微納加工技術(shù)在鐵磁性復合薄膜內(nèi)設(shè)計和排布周期性溝壑結(jié)構(gòu)，通過上下層應力釋放差異構(gòu)造微區(qū)應力圖案化分布，并基于磁彈耦合效應實現(xiàn)了微納尺度下的磁疇調(diào)控與排布。
鐵磁材料薄膜中的磁疇結(jié)構(gòu)及分布狀態(tài)在自旋電子器件、磁光耦合器件、磁性微機械系統(tǒng)等諸多磁性微器件中起著至關(guān)重要的作用，因此利用外物理場實現(xiàn)磁疇調(diào)控將有助于人們更好地設(shè)計并操控磁性微器件性能。經(jīng)典的磁疇調(diào)控手段通常作用于整個磁性材料，而隨著電子器件的微型化發(fā)展，如何實現(xiàn)微納尺度下的局域化磁疇調(diào)控成為當前面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)之一。
研究團隊基于微納加工技術(shù)在PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)高分子層上制備了具有周期性溝壑結(jié)構(gòu)的Ni薄膜(見圖1a-b)，并通過微納加工技術(shù)設(shè)計溝壑邊界釋放局部應力，利用PMMA和Ni之間的楊氏模量差異，實現(xiàn)了邊界附近應力的不均勻恢復（見圖1d）。微磁學模擬結(jié)合磁彈耦合理論分析表明（見圖1e和圖2），該應力作用可等效為一個面內(nèi)單軸各向異性，能夠誘導出Ni薄膜內(nèi)條紋疇垂直于應力方向分布，如圖1c所示。相應的磁滯回線測量亦證明了應力分布誘導的面內(nèi)宏觀磁各向異性，如圖3所示。
圖1. 微納圖案化構(gòu)造應力分布實現(xiàn)磁疇調(diào)控示意圖。（a）微納加工方法示意圖；圖案化磁性薄膜的（b）形貌結(jié)構(gòu)、（c）磁疇分布和（d）應力分布；（e）負磁致伸縮系數(shù)的磁性薄膜自發(fā)磁化強度受應力調(diào)控示意圖。
圖2. 邊界間距為10 μm時，隨著薄膜遠離邊界x方向的應力逐漸恢復，導致磁疇逐漸偏轉(zhuǎn)為45°。相應的（a）磁疇分布、（b）微磁學模擬和(c)應力分布計算值之間的對應關(guān)系。
圖3. 不同周期邊界條件下的磁滯回線。（a）沿著應力誘導的自發(fā)磁化方向時，剩余磁化強度隨周期減小而增加；（a）垂直于應力誘導的自發(fā)磁化方向時，剩余磁化強度隨周期減小而減??；（c）2 μm、（c）5 μm和（c）10 μm周期下磁滯回線均展現(xiàn)出各向異性。
該結(jié)論可推廣到更為復雜的微納圖案化實現(xiàn)應力調(diào)控，從而操縱磁疇結(jié)構(gòu)。該工作研究了從1D周期到2D周期邊界條件對磁疇形態(tài)演化的影響。2D周期邊界條件導致的雙重應力邊界條件，對磁疇排布方向明顯存在競爭關(guān)系。團隊以菱形結(jié)構(gòu)為例，使得應力分量沿長軸偏大，而沿短軸偏小，發(fā)現(xiàn)Ni薄膜中磁疇取向與長軸垂直，因而可以實現(xiàn)磁疇的可控角度偏轉(zhuǎn)（見圖4）。而當進一步構(gòu)造出環(huán)形應力邊界條件時，發(fā)現(xiàn)Ni薄膜中的磁疇可以從條紋疇排布形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榄h(huán)形排布。
圖4. 2D應力邊界條件對磁疇排布的影響。（a）正方形邊界和（b）菱形邊界時的磁疇分布；（c）雪花形邊界時，磁疇取向角度在每個菱形子單元內(nèi)隨著應力長軸方向旋轉(zhuǎn)。
微納尺度下磁疇的有效調(diào)控對相應的微磁學器件有著至關(guān)重要的作用。本工作豐富了人們對于微納尺度下磁疇調(diào)控手段的理解，所開發(fā)的微區(qū)應力調(diào)控和磁彈耦合效應相結(jié)合的方法為微納尺度磁疇調(diào)控途徑開辟新的方向。
該論文由杭電材料與環(huán)境學院張鑒副研究員（排名第一）、哈佛大學Won-Kyu Lee博士（共同第一）、美國西北大學Teri W. Odom教授團隊、浙江大學嚴密教授團隊等共同完成。該研究得到了國家重大儀器專項、國家自然科學基金、浙江省重點研發(fā)計劃等項目的支持。本工作得到周鐵軍教授和駱泳銘博士（杭州電子科技大學）在材料制備方面的支持、黃厚兵研究員（北京理工大學）在理論計算與模擬方面的指導，并得到先進磁性材料研究院（杭州電子科技大學）和浙江省3D微納加工和表征研究重點實驗室（西湖大學）的微納制造技術(shù)支持。（材料與環(huán)境工程學院、科研院）
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c00070
