近日，Nano Letters在線刊登了材料與環(huán)境工程學(xué)院張雪峰教授團(tuán)隊(duì)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(fù)合薄膜內(nèi)設(shè)計(jì)和排布周期性溝壑結(jié)構(gòu)，通過(guò)上下層應(yīng)力釋放差異構(gòu)造微區(qū)應(yīng)力圖案化分布，并基于磁彈耦合效應(yīng)實(shí)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(jī)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(chǎng)實(shí)現(xiàn)磁疇調(diào)控將有助于人們更好地設(shè)計(jì)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(gè)磁性材料，而隨著電子器件的微型化發(fā)展，如何實(shí)現(xiàn)微納尺度下的局域化磁疇調(diào)控成為當(dāng)前面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)之一。
研究團(tuán)隊(duì)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(jiàn)圖1a-b)，并通過(guò)微納加工技術(shù)設(shè)計(jì)溝壑邊界釋放局部應(yīng)力，利用PMMA和Ni之間的楊氏模量差異，實(shí)現(xiàn)了邊界附近應(yīng)力的不均勻恢復(fù)（見(jiàn)圖1d）。微磁學(xué)模擬結(jié)合磁彈耦合理論分析表明（見(jiàn)圖1e和圖2），該應(yīng)力作用可等效為一個(gè)面內(nèi)單軸各向異性，能夠誘導(dǎo)出Ni薄膜內(nèi)條紋疇垂直于應(yīng)力方向分布，如圖1c所示。相應(yīng)的磁滯回線測(cè)量亦證明了應(yīng)力分布誘導(dǎo)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(yīng)力分布實(shí)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(yīng)力分布；（e）負(fù)磁致伸縮系數(shù)的磁性薄膜自發(fā)磁化強(qiáng)度受應(yīng)力調(diào)控示意圖。
圖2. 邊界間距為10 μm時(shí)，隨著薄膜遠(yuǎn)離邊界x方向的應(yīng)力逐漸恢復(fù)，導(dǎo)致磁疇逐漸偏轉(zhuǎn)為45°。相應(yīng)的（a）磁疇分布、（b）微磁學(xué)模擬和(c)應(yīng)力分布計(jì)算值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
圖3. 不同周期邊界條件下的磁滯回線。（a）沿著應(yīng)力誘導(dǎo)的自發(fā)磁化方向時(shí)，剩余磁化強(qiáng)度隨周期減小而增加；（a）垂直于應(yīng)力誘導(dǎo)的自發(fā)磁化方向時(shí)，剩余磁化強(qiáng)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(fù)雜的微納圖案化實(shí)現(xiàn)應(yīng)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(duì)磁疇形態(tài)演化的影響。2D周期邊界條件導(dǎo)致的雙重應(yīng)力邊界條件，對(duì)磁疇排布方向明顯存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。團(tuán)隊(duì)以菱形結(jié)構(gòu)為例，使得應(yīng)力分量沿長(zhǎng)軸偏大，而沿短軸偏小，發(fā)現(xiàn)Ni薄膜中磁疇取向與長(zhǎng)軸垂直，因而可以實(shí)現(xiàn)磁疇的可控角度偏轉(zhuǎn)（見(jiàn)圖4）。而當(dāng)進(jìn)一步構(gòu)造出環(huán)形應(yīng)力邊界條件時(shí)，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(yīng)力邊界條件對(duì)磁疇排布的影響。（a）正方形邊界和（b）菱形邊界時(shí)的磁疇分布；（c）雪花形邊界時(shí)，磁疇取向角度在每個(gè)菱形子單元內(nèi)隨著應(yīng)力長(zhǎng)軸方向旋轉(zhuǎn)。
微納尺度下磁疇的有效調(diào)控對(duì)相應(yīng)的微磁學(xué)器件有著至關(guān)重要的作用。本工作豐富了人們對(duì)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(yīng)力調(diào)控和磁彈耦合效應(yīng)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(xué)院張鑒副研究員（排名第一）、哈佛大學(xué)Won-Kyu Lee博士（共同第一）、美國(guó)西北大學(xué)Teri W. Odom教授團(tuán)隊(duì)、浙江大學(xué)嚴(yán)密教授團(tuán)隊(duì)等共同完成。該研究得到了國(guó)家重大儀器專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金、浙江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)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(xué)）在材料制備方面的支持、黃厚兵研究員（北京理工大學(xué)）在理論計(jì)算與模擬方面的指導(dǎo)，并得到先進(jìn)磁性材料研究院（杭州電子科技大學(xué)）和浙江省3D微納加工和表征研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（西湖大學(xué)）的微納制造技術(shù)支持。（材料與環(huán)境工程學(xué)院、科研院）
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c00070
