Magnetic Properties and Microstructure of Sm-Fe …maglab.iphy.ac.cn/groupM04/M04%B9%A4%D7%F7%D7%DC%BD%E1%D...一、主要工作进展（2008－2010） • 准一维Fe，Co纳米链的磁各向异性的调控

中科院物理所学术方向2010年报告－2011-1-13

中国科学院物理研究所磁学国家重点实验室

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

磁性纳米结构与飞秒磁学

Nanomagnetism and Femtomagnetism (Smaller & Faster)

成昭华、张向群、杨海涛、何为

一、主要工作进展（2008－2010）

• 准一维Fe，Co纳米链的磁各向异性的调控

• 磁性纳米颗粒的化学自组装生长及其高频磁性

• 高磁灵敏、微区磁动力学过程探测系统研制

• 锰氧化物单晶大各向异性磁电阻与时间分辨电子相分离

• 多铁材料磁化强度的调控


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• 超高密度磁记录• 高频特性• 超快动力学－飞秒磁性

(一）. 准一维磁性纳米链单轴磁各向异性的人工调控


1. 原子台阶导致面内单轴磁各向异性增强

2. 磁晶各向异性与单轴各向异性共同调控磁各向异性

3.

纳米点间相互作用对磁各向异性调控

（一）准一维磁性纳米链磁各向异性调控


0.1°miscut substrate4°miscut substrate

Fe Co Fe Co

LLT

D.L. Sun, Z.H. Cheng, et al., Appl. Phys. Lett. 94(2009),012504

原子台阶对磁各向异性调控


SMOKE 信号

垂直于膜面3.1 ML 115K

SMOKE 信号

平行于线3.1 ML 115K

SMOKE 信号

垂直于线3.1 ML 115K

SMOKE 信号

与线成60度角3.1 ML 300K

SMOKE 信号

与线成90度角3.1 ML 300K

Shape anisotropy

原子台阶对磁各向异性调控


电子自旋共振确定磁各向异性

0 1 2 3 4 5 6 7 8

P2

90705030

Magnetic Field ( kOe )

10P1

(b)

0 15 30 45 60 75 90

2

4

6

8

( degree )

Hre

s ( k

Oe)

chains direction

(c) 0 15 30 45 60 75 90

1.6

1.8

2.0

( degree )

chains direction

(d)

0 1 2 3 4 5 6 7 8P2P1 90

10305070

ES

R s

igna

l am

plitu

de (

a. u

. )

Magnetic field ( kOe )(a)

ex situESR signals

g =2.032Ku /MS = 150 Oe4πMeff = 3.51 kOeMs = 1700 G

Ku = 1.3×104 J/m3

.2cos4)cos(cos24)cos( 22

S

uH

S

ueffH M

KHMKMH


Fe/FeSi2 /Si(111)

磁晶各向异性的贡献

Fe(111) ∥ Si(111)Fe [-1-12] ∥ Si [11-2]

50nm

H.F. Du, Z.H. Cheng，et al., Appl. Phys. Lett. 96(2010),142511


40 50 60 70 80

0

FM

R s

igna

l am

plitu

de (a

.u.)

H (mT)

Hr (

mT)

30

60

90

120

150

180

Fitting Data Ku=0 =0

70

0

90

270

40

70

2 2 2 2 2 2 2 2 20 1 1 2 2 3 3 1 2 1 2 3ˆ

ˆ ˆ ˆˆ ˆ ˆ( ) ( ) ( )S

u u d d s s

E M K KK K K

（）（）

H μ +μ n μ n μ n

磁晶各向异性与面内单轴磁各向异性共同作用

电子自旋共振确定磁各向异性

A

B

Fe (0.84nm 50nm×50nm)

Matlab

MLT Approach

Model in MC Simulation

0 50 100 150 200 250

0

20

40

60

80

100

120

Freq

uenc

y N

umbe

r

V

Count

volume distribution

Features of real system:• Disorder position• Volume distribution• Irregular shape

Monte Carlo 模拟磁性与各向异性


纳米点间相互作用对磁性与磁各向异性的影响


60 120 180 240 300 3600.0

0.1

0.2

0.3

0.4

MR/M

S

T (K)

Experimental Data FFT Model Model Without Interaction DIP Model


Fe/FeSi2 /Si(111)偶极相互作用

H.F. Du, Z.H. Cheng，et al., Appl. Phys. Lett. 96(2010),142511Y.P. Fang, Z.H. Cheng，et al., Appl. Phys. Lett. 97(2010),022507


M

UHF帯

IMT-2000 W-CDMA

Mobile phone

T-DMBDVB

low electricity consumptionhigh speed

small electric devices

Development of new type of material for high-frequency electronic device!!

RFID

Ultra Wide Band (UWB)

無線LAN

computerBluetooth

IC sensor

1GHz 5GHz 10GHz2GHz500MHz

video

high frequency

2. 磁性纳米颗粒的化学自组装生长及其高频磁性

M

1.Hexagonal ultra-high- frequency ferrite （ magnetoplumbite ）

cut-off frequency fr

HA: magnetocrystall anisotropy fields

Methods of breaking Snoek’s limit

HA2

HA１

2. nanoscale thin film 3.nanoparticles

Nèel relaxation theory

'

0

0

Frequency(Hz)

''

'

0

0

Frequency(Hz)

''

’’

’

fbfrsuperpara

?or

0ffb

TkKVff

B0b exp

≤frPhys. Rev. B. 34(1986) 7573F.S. Li, al , C.P.L 25 11 (2008)


10 100 1000

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Frequency (MHz)

16nm Fe3O4-20nm shell 9nm Fe3O4-12nm shell 5 nm Fe3O4-12 nm shell

~3nm

~ 16nm

~ 5nm

~ 12nm

磁性纳米颗粒的化学自组装生长及其高频磁性

（三）高磁灵敏、微区磁动力学过程探测系统研制

Temporal resolution: 100fs

Spatial resolution: 500 nm

0 200 400 600 800 1000

8

7

6

5

4

3

2

1

Time (ps)

Fe/MgO(001), 何为@IPCAS

2011.01.05

1052 1054 1056 1058 1060-5

-4

-3

-2

-1

0

Time (ps)

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 93.5

3.0

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

0.0

Time (ps)

磁性纳米结构的超快磁动力学过程－飞秒磁学

CoFePt @Ruhr Uni., Germ)

CoFePt@IPCAS，Beijing

2010.12.22

520nm

80 100 120 140 160 1800

2

4

6

8

10

12

14perpendicular field Vs Frequency

Magnetic field (mT)

Freq

uenc

y (G

Hz)

CoFePt@IPCAS，Beijing

•Phys.Rev. Lett. 3 篇•PNAS 1 篇•Adv. Mater. 1 篇•Appl. Phys. Lett. 7 篇•Phys. Rev. B 1 篇•Nanotechnology 2 篇•其他 SCI 27篇

•国际会议邀请报告 3 次

• 国内会议特邀报告

10次

发表文章及会议报告（2008－2010）

培养研究生17人，

其中7人获博士学位，1人硕士学位


2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 20100

5

10

15

20

25Publication Summary

Num

ber

Year

Total Publication First author High Quality Journals

交换作用 E各向异性

-6000 -4000 -2000 0 2000 4000 6000

2D1D0D

Mag

netiz

atio

n (a

rb.u

nit)

Magnetic field (Oe)

T = 45 K

Cu(111)

m

Cu(111)Cu(111)

m

Cu(111)

mFe on Cu(111)

0 50 100 150 200 250 300

Mr-2DMr-1DMr-0D

rem

anen

t mag

netiz

atio

n (a

rb.u

nit)

Temperature (K)

2D

1D

0D

维度与磁性的关系宏观量子效应和量子隧穿

三维二维或一维

维度与电子态的关系

磁性纳米结构

二、科学意义与目标

7% 13%

12%

10%6%7%16%

8%

8%7% 6%

Fundamental

ME Materials

Spintronics

Dynamics

Soft Magn

Hard Magn

Nanostructure

Special Magn

Recording

Application

Imaging

磁学与磁性材料分类

收录论文1570篇

2010.11.14－18，亚特兰大

Grand Challenges in Nanomagnetism

Ultra Strong Permanent

MagnetsUltra High

DensityMedia

Spin Transistor With Gain

~100% Spin Polarized

Materials

RT MagneticSemiconductors

Instant Boot-up ComputerMagnetic Logic

Nano-BioMag.

Ultrasoftmagnet

Computer From Test Tube

Hierarchically Assembled

Media

Spin-Based Qubits

S.D. Bader，RMP (2006)

能源信息

生物医学

纳米磁性的机遇与挑战


下一步研究计划

磁性纳米结构人工设计和可控生长；

-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 4000.998

1.000

1.002

1.004

1.006

1.008

SMO

KE

Sign

als

(arb

.uni

ts)

Magnetic Field (Oe)

0.84 ML Polar

0.996

0.998

1.000

1.002

1.004

1.006

0.84 ML Longitudinal

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

1.000

1.002

1.004

1.006

1.008

1.010

1.012

1.014

SMO

KE

sign

als

(arb

.uni

ts)

Magnetic Field (Oe)

3.8 ML Polar

1.000

1.002

1.004

1.006

1.008

1.010

1.012

1.014

3.8 ML Longitudinal

-400 -300 -200 -100 0 100 200 300 4000.998

1.000

1.002

1.004

1.006

1.008

1.010

1.012

1.014

1.016

0.996

0.998

1.000

1.002

1.004

1.006

1.008

1.010

1.012

1.014

SMO

KE

Sign

als

(arb

.uni

ts)

Magnetic Field (Oe)

1.7 ML Longitudinal

1.7 ML Polar

超快自旋动力学低维受限系统的磁性

MBE 自组装浮区熔炼


T.

尺寸更小

磁成像技术及其空间分辨

Eimueller, SFB 491 summer school 2

Exchange interaction

Spin-orbitcoupling

1 fs

1 ps

10 fs

100 fs

100 as

10 ps

100 ps

1 ns

Spin precession

Gilbert damping

10 ns Thermal activation

Spin lattice relaxation time

electron lattice relaxation time

磁成像技术及其时间分辨

响应更快

？？

Eimueller, SFB 491 summer school 2007

性能更强

磁共振与超快过程

氧化物单晶与多晶

磁性纳米结构

研究队伍

杨海涛张向群

三、研究队伍与条件保障

• 973项目

•基金委重点项目

•基金委面上基金

•中科院设备研制

承担项目

何为


条件保障MBE/SPM/SMOKE/MS(2004)

穆斯堡尔谱仪穆斯堡尔谱仪(2003)

单晶生长炉(2002) 电化学实验室（2003)

多电极磁输运（2002) 科尔显微镜(2009)


条件保障

Glove box (O2 , H2 O <1ppm)

Thermometer

syringe synthesis

Size-selective

drop

Self-assembly

磁性纳米颗粒的自组装生长

(2009)(2009)


高磁灵敏、微区磁（自旋）动力学过程探测系统

条件保障

(2010)(2010)

-60 -40 -20 0 20 40 600.00

0.02

0.04

0.06

0.08

0.10

0.12

0.14

Inte

nsity

(a.u

.)

Time (fs)

pulse durationFWHM= 46 fs

致谢

•科技部

•基金委

•科学院

•物理所


Documents

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