中科院物理所课题组 2009 年课题总结报告 -2010-04-24 

磁性纳米结构与磁共振 

成昭华、孙阳、张向群、杨海涛、何为 

中国科学院物理研究所磁学国家重点实验室 M04 组 

State Key Lab. of Magnetism, IPCAS; http://maglab.iphy.ac.cn

研究队伍 

一、课题组简介 

磁性纳 

米结构 

杨海涛 

何为 

磁共振与 

超快过程 

张向群 

氧化物单 

晶与多晶 

承担项目 

• 973 项目 

• 基金委重点项目 

• 基金委面上基金 

• 中科院设备研制 

博士生 7 人 

硕士生 2 人 

发表论文 18 篇 , 其中 

PRL,PNAS, Adv. Mater. 各 1 篇 

申请发明专利 1 项 



单晶生长炉 (2002) 电化学实验室 (2003) 


MBE/SPM/SMOKE/MS(2004) 

电极磁输运 (2002) 穆斯堡尔谱仪 (2003) 电子自旋共振 (2006) 


杨海涛 

宋宁宁 


磁性纳米颗粒的自组装生长 

syringe 

(2009) 

synthesis 

Thermometer 


Size-selective 

Glove box (O 2 

, H 2 

O

何为 

刘郝亮 , 吴琼 

Focusing lens 

磁光克尔显微镜的搭建 

Magnetic sample 

Objective 

Beam splitter 

(2009) 

Optical fiber 

Light 

source 

Glan-Thomson 

polarizer 

Rochon analyzer 

CCDcamera 

1.0 

63Oe 

70Oe 

77Oe 

M/Ms 

0.5 

0 50 100 150 200 250 300 

time(sec.) 

20um 

70Oe 

20um 

77Oe 


高磁灵敏、微区磁动力学过程探测系统研制 

Temporal resolution: 

Time delay: 

10 fs=3*10 8 X10 -14 =3*10 -6 m 


二、主要工作进展 

• 准一维 Fe,Co 纳米链的磁各向异性的调控 

( 何为、孙达力、杜海峰、房亚鹏、成昭华 ) 

• 锰氧化物单晶的异常大的各向异性磁电阻 ( 合作 PNAS) 

( 李润伟、成昭华、沈保根 ) 

• 钙钛矿锰氧化物的时间分辨电子相分离 ( 合作 PRL) 

( 沈健、张向群、成昭华 ) 

• 脉冲电压对多铁材料磁化强度的调控 

( 孙阳 , 李长辉 , 张向群 , 成昭华 ) 


李润伟、成昭华、沈保根 


沈健、张向群、成昭华 


准一维磁性纳米链单轴磁各向异性的人工调控 

磁各向异性的重要性 

1. 低维体系中长程磁有序的来源 ( 磁性量子理论 ) 

2. 磁性材料的主要参数 

• 高矫顽力 

• 高频特性 

• 超高密度磁记录 

三、研究工作选介 


Petabyte and Areal Density Growth (2006 = 1) 

25 

20 

15 

10 

5 

硬盘存储器工业的主要推动力 

五年内的世界总信息存储需求量 

将在现有基础上骤增 20 倍 

总存储量 

增长幅度 

存储密度年 

增长率 70% 

存储密度年 

增长率 40% 

0 

2006 2007 2008 2009 2010 2011 

Average Petabyte Growth Year on Year From 1995 to 2005 was > 85%, Seagate Analyst & Investor Meeting June 2006 


磁存储介质发展趋势 

E. A. Dobisz, et al., Proc. IEEE 96,(2008), 1836 

分立存储介质 

H 

传统存储介质 

Ferro 

Non-mag 


磁存储分立介质设计的三个相互制约的困难 

SNR~log 10 (N) 

高密度 ( 尺寸小 V ) 

热稳定性 ( 高各向异性 K u ) 

可写入性 ( 低矫顽力 H 0 ) 

EB 

 

KuV 

 

1 

 

 

3/ 2 

Hd 

0 

H 

H 

2 

K 

 

M 

N 

M 

u 

0 eff S 

S 

K u V = 40-60 k B T 

Spin-ice 

ice 

 

H 0 < 磁头写入场 


准一维磁性纳米链单轴磁各向异性的人工调控 

Pb / Si(111) 

0.1 度斜切 

500×500 

衬底修饰对磁各向异性的调控 

Pb / Si(111) 

4 度斜切 

500×500 

L 

L T 

0.84ML 

Fe islands on 

Pb ( 18ML ) / Si 

(200nm×200nm) 

1.27ML 

Fe wires on Pb ( 18ML ) / Si 

(300nm×300nm) 


准一维 Fe 磁性纳米链单轴磁各向异性的人工调控 

SMOKE 信号垂直于膜面 

3.1 ML 115K 

SMOKE 信号平行于线 


SMOKE 信号与线成 60 度角 


SMOKE 信号与线成 90 度角 


SMOKE 信号垂直于线 


‣ Shape anisotropy 


准一维 Fe 磁性纳米链单轴磁各向异性的人工调控 

利用电子自旋共振确定磁各向异性 

 

 

 

2 

 

H 

 

cos( 

H 

) 4M 

eff 

2K 

 

M 

S 

u 

cos 

2 

 

H 

 

cos( 

H 

) 

4K 

M 

S 

u 

 

cos2 

. 

 

g=2.03, 2K u /M S =150 Oe, and 4πM eff =3.51 kOe, 

K u = 1.275×10 5 erg/cm 3 


磁晶各向异性的贡献 

Fe/FeSi 2 /Si(111 


准一维 Co 磁性纳米链单轴磁各向异性的人工调控 

Percentage 

2.25 ML 


Diameter ( nm ) 

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 

6 

0.40 

4 

0.15 

2 

Co nanochains 

Co 3.0 ML 

0.10 

Co 2.75 ML 


0.05 


0 

0.00 

0 2 4 6 

Diameter ( nm ) 

Co nanodots 





0.35 

0.30 

0.25 

0.20 

Percentage 


3.0 ML 



Height ( nm ) 

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 

1.8 0.60 

1.6 

1.4 

1.2 

1.0 

0.8 

Percentage 

0.55 

0.50 

0.45 

0.40 

0.35 

0.30 

0.25 

0.6 

0.20 

0.4 

Co nanochains 


0.15 


0.10 

0.2 


CO 2.25 ML 

0.05 

0.0 

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 0.00 

Height ( nm ) 

Co nanodots 





Percentage 




Magnetic domain structure of Co nanochains 

1000nm×1000nm 

Bloch domain wall 

L 

dw 

 

2A 

K 

u 

A=30×10 -12 J/m 

L dw ≈120×10 -9 m 

K u = 4.1×10 4 J/m 3 

Neel domain wall 



2.5 ML 2.75 ML 


•Co nanochain 

Kerr intensity (arb.unit) 

124 K 

162 K 

185 K 

242 K 

Kerr intensity (arb. unit) 

124 K 

178 K 

237 K 

300 K 

Kerr intensity ( arb. unit) 

124 K 

178 K 

237 K 

300 K 

-480 -240 0 240 480 

Magnetic field (Oe) 

-480 -240 0 240 480 

M agnetic field (O e) 

-200 -100 0 100 200 

Magnetic field ( Oe ) 

3.0 ML 3.25 ML 3.5 ML 

•Co nanodots 

Kerr intensity ( arb. unit ) 

124 K 

148 K 

175 K 

210 K 


124 K 

169 K 

218 K 

250 K 


124 K 

182 K 

240 K 

300 K 

-200 -150 -100 -50 0 50 100 150 200 


-200 -100 0 100 200 


-300 -200 -100 0 100 200 300 

M agnetic field ( Oe ) 



Co nanochain 

Co nanodots 

1.2 

0.9 

Co 3 ML 



0.9 

0.6 




M r 

/M s 

0.6 

M r 

/M s 

0.3 

0.3 

= 0.41 

= 0.36 

=0.58 

=0.5 

0.0 

Tc=242 K 

Tc=315 K 

0.0 

Tc=210 K 

Tc=250 K 

120 150 180 210 240 270 300 330 

Temperature ( K ) 

120 150 180 210 240 270 300 

Temperature (K) 

Two Questions 

1. Enhancement of T C 

2. Magnetic Anisotropy 


Effect of dot-dot interaction on magnetic properties 

Monte Carlo Simulation 



Nanodots with random 

distribution 

Dot-dot interaction 





磁性纳米结构 

人工设计和可 

控生长 ; 

下一步研究计划 

Smaller, Faster, Stronger 

MBE 自组装浮区熔炼 

低维受限系统的磁性 

自旋超快自旋动力学 

SMOKE Signals (arb.units) 

1.008 

1.006 

0.84 ML Polar 

1.006 0.84 ML Longitudinal 

1.004 

1.004 

1.002 

1.002 

1.000 

1.000 

0.998 

0.998 

0.996 

-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 

Magnetic Field (Oe) 

SMOKE signals (arb.units) 

1.014 

1.014 


1.012 

1.012 

3.8 ML Longitudinal 

1.010 

1.010 

1.008 

1.008 

1.006 

1.006 

1.004 

1.004 

1.002 

1.002 

1.000 

1.000 

-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 


SMOKE Signals (arb.units) 

1.016 

1.014 

1.012 

1.010 

1.008 

1.006 

1.004 

1.002 

1.000 

0.998 


1.7 ML Longitudinal 

-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 400 


1.014 

1.012 

1.010 

1.008 

1.006 

1.004 

1.002 

1.000 

0.998 

0.996 


致 

自课题组 2001 年成立以来 , 得到科技部 , 基金委 , 科学院和 

物理所的资助和支持 , 先后有 45 人为课题组的建设和发展做 

出了贡献 , 在此一并感谢 ! 

• 科技部 

• 基金委 

• 科学院 

• 物理所 

谢

3.0 ML - ç£å­¦å½å®¶éç¹å®éªå®¤ - ä¸­å½ç§å­¦é¢ç©çç ç©¶æ

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