近日，《Nano Letters》在线刊登了学院张雪峰教授团队的研究论文“Spontaneous Formation of Ordered Magnetic Domains by Patterning Stress”。该工作利用微纳加工技术在铁磁性复合薄膜内设计和排布周期性沟壑结构，通过上下层应力释放差异构造微区应力图案化分布，并基于磁弹耦合效应实现了微纳尺度下的磁畴调控与排布。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c00070.
铁磁材料薄膜中的磁畴结构及分布状态在自旋电子器件、磁光耦合器件、磁性微机械系统等诸多磁性微器件中起着至关重要的作用，因此利用外物理场实现磁畴调控将有助于人们更好地设计并操控磁性微器件性能。经典的磁畴调控手段通常作用于整个磁性材料，而随着电子器件的微型化发展，如何实现微纳尺度下的局域化磁畴调控成为当前面临的技术挑战之一。
研究团队基于微纳加工技术在PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)高分子层上制备了具有周期性沟壑结构的Ni薄膜(见图1a-b)，并通过微纳加工技术设计沟壑边界释放局部应力，利用PMMA和Ni之间的杨氏模量差异，实现了边界附近应力的不均匀恢复（见图1d）。微磁学模拟结合磁弹耦合理论分析表明（见图1e和图2），该应力作用可等效为一个面内单轴各向异性，能够诱导出Ni薄膜内条纹畴垂直于应力方向分布，如图1c所示。相应的磁滞回线测量亦证明了应力分布诱导的面内宏观磁各向异性，如图3所示。
图1.微纳图案化构造应力分布实现磁畴调控示意图（a）微纳加工方法示意图；图案化磁性薄膜的（b）形貌结构、（c）磁畴分布和（d）应力分布；（e）负磁致伸缩系数的磁性薄膜自发磁化强度受应力调控示意图
图2. 边界间距为10 μm时，随着薄膜远离边界x方向的应力逐渐恢复，导致磁畴逐渐偏转为45°。相应的（a）磁畴分布、（b）微磁学模拟和(c)应力分布计算值之间的对应关系
图3. 不同周期边界条件下的磁滞回线。（a）沿着应力诱导的自发磁化方向时，剩余磁化强度随周期减小而增加；（a）垂直于应力诱导的自发磁化方向时，剩余磁化强度随周期减小而减小；（c）2 μm、（c）5 μm和（c）10 μm周期下磁滞回线均展现出各向异性
该结论可推广到更为复杂的微纳图案化实现应力调控，从而操纵磁畴结构。该工作研究了从1D周期到2D周期边界条件对磁畴形态演化的影响。2D周期边界条件导致的双重应力边界条件，对磁畴排布方向明显存在竞争关系。团队以菱形结构为例，使得应力分量沿长轴偏大，而沿短轴偏小，发现Ni薄膜中磁畴取向与长轴垂直，因而可以实现磁畴的可控角度偏转（见图4）。而当进一步构造出环形应力边界条件时，发现Ni薄膜中的磁畴可以从条纹畴排布形态转变为环形排布。
图4. 2D应力边界条件对磁畴排布的影响。（a）正方形边界和（b）菱形边界时的磁畴分布；（c）雪花形边界时，磁畴取向角度在每个菱形子单元内随着应力长轴方向旋转
微纳尺度下磁畴的有效调控对相应的微磁学器件有着至关重要的作用。本工作丰富了人们对于微纳尺度下磁畴调控手段的理解，所开发的微区应力调控和磁弹耦合效应相结合的方法为微纳尺度磁畴调控途径开辟新的方向。
该论文由杭电材料与环境学院张鉴副研究员（排名第一）、哈佛大学Won-Kyu Lee博士（共同第一）、美国西北大学Teri W. Odom教授团队、浙江大学严密教授团队等共同完成。该研究得到了国家重大仪器专项、国家自然科学基金、浙江省重点研发计划等项目的支持。本工作得到周铁军教授和骆泳铭博士（杭州电子科技大学）在材料制备方面的支持、黄厚兵研究员（北京理工大学）在理论计算与模拟方面的指导，并得到先进磁性材料研究院（杭州电子科技大学）和浙江省3D微纳加工和表征研究重点实验室（西湖大学）的微纳制造技术支持。