上海科技大学翟晓芳

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水是人类和所有生物的生命之源，她也是大自然神奇的魔法师。她可以柔胜坚，可纤入无间，可润物细无声地施展她移质易性的魔力。这神奇的魔力主要源于水分子、氧离子或氢离子的“娇小身躯”可以轻易嵌入大多数材料的结构基元中，从而实现材料从微观到宏观的物性改变。
        磁性功能材料在低功耗自旋电子学器件应用领域具有广阔前景。磁各向异性反映了电子自旋的取向程度，是磁性功能材料的一个重要参量。单晶薄膜通常具有磁各向异性，当薄膜厚度减小到几纳米时，其磁各向异性会进一步增强。因此，磁各向异性为零、或非常弱的“软磁超薄膜”较为少见，更不要说在多个方向都具有软磁特性（软磁，即具有较小的矫顽场、磁性容易翻转的材料）。而这种多方向软磁超薄膜则是发展柔性自旋电子学器件的基石。那么，一个有趣的问题来了：水能否调控薄膜的磁各向异性呢？
       为此，上海科技大学物质科学与技术学院翟晓芳课题组、上海纽约大学陈航晖课题组与美国阿贡国家实验室周华研究员、美国国家标准计量局（NIST）Alexander Grutter研究员等合作，基于最新的水溶牺牲层方法，制备出大面积且无裂纹的自支撑锰氧化物薄膜，并将其转移至硅衬底后开展磁性方面的研究。团队出乎意料地发现，经水浸泡后，原先外延薄膜中显著的磁各向异性在厚度为几个纳米的自支撑超薄膜中竟消失了，自支撑薄膜表现出多方向软铁磁性，其饱和磁化强度和居里温度也同时提高（图1）。

图1. 外延和自站立薄膜的磁性表征

         为解密磁各向异性的“水遁术”，研究者通过多种实验表征和理论计算方法，揭示了锰价态的分层模型：水溶过程导致薄膜表面掺杂氢离子，因而该区域锰价态接近+2价，易磁化轴为面外方向；而薄膜内部则因水难以进入，锰价态仍表现为块材的+3价，易磁化轴仍保持面内方向（图2）。当自支撑薄膜减小到几纳米厚时，表面区域和薄膜内部的体积相当，整个薄膜的磁各向异性趋于消失。因此，通过采用水溶牺牲层工艺，自支撑超薄膜表面的氢离子掺杂可对整个薄膜的磁性产生决定性的影响，从而产生异于外延薄膜的功能特性。

图2. 氢掺杂后锰价态的分层模型

       该成果以“Engineering magnetic anisotropy and emergent multi-directional soft ferromagnetism in ultrathin freestanding LaMnO3 films”为题，发表于国际知名学术期刊ACS Nano。翟晓芳课题组博士研究生陆勤雯，陈航晖课题组博士研究生刘芝伟和上科大物质学院电镜中心杨群博士为该论文的共同第一作者，上海科技大学翟晓芳教授和上海纽约大学陈航晖教授为共同通讯作者。该项工作得到了上海市科学技术委员会，上海科技大学启动经费，纽约大学研究经费和国家自然科学基金的支持。
         论文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.1c11065