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材料学院朱静、于荣、钟虓研究团队实现原子面分辨测量材料轨道与自旋磁矩
2018-02-07 11:47:43     毛雪鸥[     ]

2月5日,清华大学材料学院朱静、钟虓、于荣研究组在高空间分辨材料磁性表征方法取得重大进展,于国际顶级期刊《自然·材料》(Nature Materials)在线发表了题为“应用色差校正电子显微学方法进行原子尺度磁圆二色谱成像”(Atomic scale imaging of magnetic circular dichroism by achromatic electron microscopy)的研究论文。该研究基于朱静、钟虓、于荣研究组之前所发展的定量电子磁圆二色谱(Electron Magnetic Circular Dichroism)技术和占位分辨电子磁圆二色谱技术,优化衍射动力学条件,应用色差校正透射电子显微学技术,联合德国于利希研究所、亚琛工业大学、瑞典乌普萨拉大学与日本筑波大学的合作者,在国际上首次通过实验手段获得了材料内部原子面分辨的磁圆二色谱,并基于实验结果定量计算出每一层原子面的元素的轨道自旋磁矩比,该工作被选为《自然·材料》当期目录图片。

《自然·材料》当期目录图片:原子面分辨自旋探测示意图。

磁性材料被广泛应用于国民经济和国家安全中的各个领域,信息科技的高速发展尤其对磁性材料的先进性能研发提出了迫切需求。实现自旋构型与材料结构的原子尺度协同定量表征,是理解、预测与调控磁性材料的物理性质的关键

近五十年以来,传统的磁成像手段如中子衍射、X射线磁圆二色谱、电子全息等,成像分辨率达到微米或纳米尺度,均无法实现原子分辨。实现自旋构型原子尺度成像,在当今材料科学基础研究中具有重大的科学意义,在设计制造高密度、低功耗、快速的存储器件、推进信息与通讯技术方面有广阔的应用前景。

清华大学材料学院朱静、钟虓、于荣带领几代研究生王自强、宋东升、王泽朝等围绕原子尺度自旋表征领域开展了长达十年的持续攻关。他们原创性地发展了定量电子磁圆二色谱技术,实现了利用透射电子具高空间分辨的占位分辨的磁参数测量及材料面内本征磁性测量等技术,解决了纳米尺度上定量获得材料磁结构信息的难题。在此基础上,结合色差球差校正与空间分辨电子磁圆二色谱技术,突破性地实现逐层原子面的自旋构型成像,定量测量原子尺度的轨道自旋磁矩比,在原子尺度上同时测量材料的结构、成分与磁矩。该研究团队在国际上首次成功地将自旋表征磁圆二色谱的分辨率从纳米尺度推进到了原子尺度,将材料的轨道自旋磁矩分布磁信息与其原子构型、元素组成、化学键合等结构信息在原子层次上一一对应,如图2所示,对于在原子尺度理解自旋、晶格、电荷、轨道等多个自由度的结构参量与材料磁性能之间的相互关联有重要意义。电子磁圆二色谱技术自2006年诞生以来,由于其实验技术和理论解释的复杂性与挑战性,十多年来国际范围内仅有有限的几个研究组坚持这一方向的研究,而北京电子显微镜中心经过几代人的努力,在该领域得到了稳健的、飞速的发展,目前已受到国内外学术界的普遍关注。原子尺度磁圆二色谱成像工作于2018年2月5日被国际顶级的材料科学杂志《自然·材料》在线发表。

图2. 原子尺度材料结构-成分-磁矩的协同定量测量。

清华大学材料学院副研究员钟虓为本文的通讯作者,他的清华大学博士学位论文(2001-2006)就是利用电子能量损失谱方法研究Ni3Fe的电子结构,掌握了电子能量损失谱的基本理论知识和实验技能;博士后(2006-2010)在美国阿贡国家实验室学习和应用美国消像差电子显微镜项目中装有原型色差校正器的电子显微镜,2010年回清华后加入朱静的电子磁圆二色谱研究课题组。清华大学材料学院2015级硕士研究生王泽朝为本文的第一作者。合作者包括清华大学材料学院朱静教授、于荣教授、硕士研究生江翰博同学,德国于利希研究中心(提供了世界上仅有1台的50-300千伏色差球差校正电子显微镜支持)的阿米尔·塔瓦比(Amir Tavabi)博士、金磊博士、拉法尔·杜宁-波科夫斯基(Rafal Dunin-Borkowski)教授和亚琛工业大学的约阿希姆·迈尔(Joachim Mayer)教授,瑞典乌普萨拉大学的杨·如施(Ján Rusz) 博士与德米特里·秋琼尼科夫(Dmitry Tyutyunnikov)博士,日本筑波大学的守有·浩(Yutaka Moritomo)教授。该课题是在国家重点研发计划、国家自然科学基金委,科技部973计划、清华大学自主科研计划、国家重大科学仪器设备开发专项、清华大学亚琛工业大学研究生交流奖学金等经费的支持下完成的,得到了北京电子显微镜中心的设备和各种资源的支持。(摘自清华新闻网)

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41563-017-0010-4