陆轻铀课题组在张应力LaCoO3薄膜中直接观测到半占据的铁磁分布状态

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中国科学院合肥物质科学研究院强磁场科学中心与中国科学技术大学双聘研究员陆轻铀，与中国科大教授翟晓芳、陆亚林合作，利用自制的低温磁力显微镜系统（MFM），在张应力LaCoO3薄膜的磁性研究方面取得新进展。通过微观尺度上系统研究该体系中磁结构的分布、尺寸以及随温度、磁场演变的行为，在高质量的LaCoO3中观测到亚微米尺度的本征相分离行为，发现了这类体系中铁磁相的半占据状态，解释了相关理论计算与实验测量值不符的原因。成果以Direct imaging revealing halved ferromagnetism in tensile-strained LaCoO3 thin films 为题发表在Phys. Rev. Mat上。

　　近年来，磁性薄膜及界面因表现出其块体材料往往不具备的新奇物理效应或性能，从而得到磁性材料学家的广泛关注。例如，块体材料LaCoO3在低于90K时为反磁性；高于90K时，由于热激发效应，体系转变为顺磁态。然而，奇特的是，当LaCoO3生长在张应力的衬底上时，它突然转变为强铁磁性，其居里温度为85K。目前，领域内大致认可张应力对系统铁磁性产生的重要作用。然而，关于该体系中铁磁性产生的机理，还有较大的分歧存在，张应力LaCoO3薄膜中铁磁相出现的原因仍然不确定。此外，根据理论计算表明，在均匀的LaCoO3薄膜中，由于Co3+高自旋与Co3+低自旋的超交换相互作用，计算出Co的磁矩约为2μB/Co。然而，到目前为止，实验测量出的数值只有理论值的一半（约1μB/Co）。实验与理论的不符，一直没有一个很好的解释。

　　合作组通过调控氧压，合理选择衬底取向等一系列手段，生长出结构均匀、氧空位缺陷低于2%的优越LaCoO3样品，其中氧空位缺陷已经低于系统能测量的最低值。该样品为研究并揭示LaCoO3中铁磁相的成因、性质探究提供了基础。为此，合作组期望利用低温MFM磁成像技术，确定磁结构分布。

　　合作组利用自制的低温强磁场MFM系统，对LaCoO3薄膜进行了系统的微观磁结构成像研究，发现在结构均匀的高品质样品中依然存在亚微米尺度上的本征相分离行为。此外，在4.5 K下，即使在13.4T的磁场中，铁磁相依然处于一种半占据状态，即体系中铁磁相与非铁磁相各占据50%。这很好地解释了实验测量值只有理论值一半的原因。该工作为理解体系中铁磁相的产生以及形成机制提供直接微观支撑。

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　　图：(a)-(h),4.5 K下MFM测量结果。(i) 铁磁相百分比随磁场的变化。(j) MFM信号方均根随磁场变化。（k）铁磁相尺寸分布图。

陆轻铀教授，美国德克萨斯大学奥斯汀分校（University of Texas at Austin）物理学学士（1994年）和凝聚态物理博士（2000年）。2000年任美国Cypress半导体公司技术主管并于2004 年作为Project Leader研制成功国际首个72 Mbit QDR SRAM产品（90纳米技术）。2005年起任中科大微尺度中心教授。2008年起兼任中科院强磁场中心研究员。从事各种极端与恶劣条件高稳定原子分辨扫描探针显微镜自主研制及其多学科应用。已授权30余项国家发明专利，并以第一或通讯作者发表论文于 Science, Nat. Mater., Nat. Commun., Adv. Mater., eLife, ACS Appl. Mater. Interf., Nano Research, Carbon等高影响刊物。2017年起任国家重点研发计划项目首席科学家，2017年任美国科学仪器期刊 Rev. Sci. Instrum. 副主编。2017年获得中科院杰出科技成就奖。

翟晓芳副教授从事氧化物分子束外延、关联电子材料的电子结构、磁性薄膜等方面的研究。2002年在中国科学技术大学物理系获得应用物理专业学士学位; 2008年在美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校物理系获凝聚态物理专业博士学位； 2008年至2009年在美国加州大学伯克利分校材料系和劳伦兹-伯克利国家实验室进行博士后研究； 2010年2月加入中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室，受聘特任副教授岗位；2015年12月通过人才引进，任中科大微尺度实验室副研究员岗位。近年来在Nat. Mater.、Nat. Commun.、Adv. Mater. 、Phys. Rev. Lett.等期刊发表学术论文40余篇。

陆亚林，男，1964年出生，博士。现任中国科学技术大学材料科学与工程系执行主任，教授、博士生导师，合肥微尺度物质科学国家实验室应用研究中心主任（筹）、材料科学与工程系主任，国家首批“##计划”入选者。