《Nature Commun》：直接观察！拉伸应变诱导纳米级磁硬化

《Nature Commun》：直接观察！拉伸应变诱导纳米级磁硬化

磁弹性是磁性和力学之间的纽带，但由于机械应变而导致磁态变化的复杂机制仍然知之甚少。在此，来自中国科学技术大学等单位研究者使用原位菲涅耳散焦成像、离轴电子全息术和双金属变形装置，对拉伸应变如何改变铁磁镍薄板中的磁畴进行直接纳米级观察。相关论文以题为“Direct observation of tensile-strain-induced nanoscale magnetic hardening”发表在Nature Communications上。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-023-39650-8

对材料结构和磁性之间联系的研究有着悠久的历史，可以追溯到 19 世纪，当时 J. Joule 和 E. Villari 发现了磁致伸缩和磁弹性。从那时起，应力和应力退火在各种材料和设备的磁性能传感、控制和增强方面得到了应用，从磁性随机存取存储器到能量收集和生物医学。应变和磁致伸缩是影响薄膜中异常磁特性形成的两个关键参数，这会导致可旋转各向异性和高密度条状磁畴的形成。控制引起应力阻抗效应的残余应力的能力已在高灵敏度磁场传感器中得到应用。

然而，人们对纳米尺度上应变引起的磁性影响仍然知之甚少，这主要是由于测量和量化纳米材料中的磁场同时允许对应变进行局部控制的实验挑战。这种效应可以通过观察应变存在下磁畴的重新排列，同时测量磁畴壁宽度来研究，磁畴壁宽度对基本磁性能和感应磁性能高度敏感。然而，常用的磁成像技术仅限于观察表面磁状态或无法提供定量的磁信息。基于透射电子显微镜（TEM）的磁成像方法，例如菲涅尔离焦成像（通常称为洛伦兹TEM）、微分相衬（DPC）成像和离轴电子全息术（EH）可用于研究为了观察磁畴壁及其在外部刺激下的重新排列，菲涅耳散焦成像已被用于观察冷却时弹性应力对手性磁体中的磁孤子的影响。除了磁畴壁成像之外，铁磁纳米结构中电磁场和应变之间相互作用的高空间分辨率磁成像以及对这种现象的明智控制也有望为材料中应变场的功能传感提供途径。

在这里，研究者提出了使用原位菲涅耳散焦成像和离轴EH 记录的单晶 Ni 纳米结构中拉伸应变和磁化强度之间磁弹性耦合的高分辨率测量。研究者通过形成高度结构化的磁畴壁直接观察内部各向异性场的改变。研究者将研究者的结果与微磁模拟进行比较，以量化应变引起的各向异性场，并用它们来解释如何使用应变来控制薄铁磁金属的磁化率。由于 Ni 具有负磁致伸缩，应变会引起磁化强度的正交旋转。通过使用双金属变形装置、菲涅尔散焦成像和离轴电子霍尔，研究者在单晶镍样品拉伸应变过程中定量地可视化真实空间中的磁织构变化、磁畴壁结构和动力学。为了评估结果的再现性，研究者在无磁场条件下进行多次拉伸应变和释放循环，直至达到塑性变形状态。

图1：在Ni纳米结构中直接测量磁截图。

图2：Ni纳米结构中的应变的磁域壁宽度的演变。

图3：塑性变形对磁纹理的影响。

图4：拉伸的Ni纳米结构中的特征磁性变化。

研究结果直接表明，与应变相关的原子间间距的变化会引起实质性的各向异性，从而导致纳米级样品的磁性状态和磁硬化的转变。由于应变诱导磁态对外部磁场的响应不同于无应变状态，磁化率也取决于应变。类似地，电荷输运预计取决于应变，因为各向异性磁电阻取决于电流和磁化之间的角度。我们对应变和磁性之间的可调性的独特局部观察表明，纳米级铁磁薄膜可以用作定向机械应变的传感器，无论是通过测量其磁化率还是通过在微型设备中进行输运测量。

2023年09月21日