[论文解读] Direct-write of free-form 3D nanostructures with controlled magnetic frustration

L. Keller, Mohanad Al Mamoori+10 more|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 2017

Advanced Condensed Matter Physics被引用 53

一句话总结

该论文展示使用 FEBID 直接写入制备自支撑的三维铁磁纳米结构，表征其微观结构，并通过微型霍尔测量和微磁/宏自旋模拟分析磁化切换与磁性挫折。

ABSTRACT

Building nanotechnological analogues of naturally occurring magnetic structures has proven to be a powerful approach to studying topics like geometry-induced magnetic frustration and to provide model systems for statistical physics. Moreover, it practically allows to engineer novel physical properties by realizing artificial lattice geometries that are not accessible via natural crystallization or chemical synthesis. This has been accomplished with great success in the field of two-dimensional artificial spin ice systems with important branches reaching into the field of magnetic logic devices. Although first proposals have been made to advance into three dimensions (3D), established nanofabrication pathways based on electron beam lithography have not been adapted to obtain free-form 3D nanostructures. Here we demonstrate the direct-write fabrication of freestanding ferromagnetic 3D nano-architectures with full control over the degree of magnetic frustration. By employing micro-Hall sensing, we have determined the magnetic stray field generated by our free-form structures in an externally applied magnetic field and we have performed micromagnetic and macro-spin simulations to deduce the spatial magnetization profiles in the structures and analyze their switching behavior. Furthermore we show that the magnetic 3D elements can be combined with other 3D elements of different chemical composition and intrinsic material properties.

研究动机与目标

• 推动并实现3D纳米磁架构，以研究几何诱导的磁性挫折与新型磁态。
• 开发并验证基于 FEBID 的路线，能够制备具有可控组成的自由形状的3D磁性纳米结构。
• 利用互补的实验和模拟表征微结构、成分及磁性切换。
• 探索将3D磁性元件与不同材料集成，用于复杂的3D磁系统。

提出的方法

• 使用前体 HCo3Fe(CO)12 的 FEBID，直接在微型霍尔传感器上写入3D Fe-Co/钴富集的纳米结构。
• 用 TEM、EELS 和 EDXS 表征微结构与成分，识别金属核心与氧化物外壳（核-壳模型）。
• 在外部磁场扫描下，利用微型霍尔磁测在不同角度测量磁逸场。
• 执行宏自旋仿真以再现实验的切换行为并解释霍尔曲线中的特征。
• 进行全磁性与核壳（Co3Fe 核/ Co2FeO4 外壳）情形的微磁仿真，以理解与宏自旋结果的不一致。
• 展示3D阵列，并具备将磁性顶点替换为非磁性材料以构建3D晶格的可能性。

实验结果

研究问题

• RQ1 直接写入 FEBID 能否制备具备可控磁性挫折的自支撑3D磁纳米架构？
• RQ2 微结构与组成（核-壳与纯金属）如何影响3D纳米结构中的磁化切换和逸场信号？
• RQ3 宏自旋与微磁模型在不同场取向下能在多大程度上再现观测到的切换行为？
• RQ4 是否可以将3D磁性元件集成到复合3D架构或阵列中，包括非磁性顶点替换，以进行人工自旋冰样研究？

主要发现

• FEBID 能直接写入自支撑的三维 Fe-Co/钴富集纳米结构，并能检测到磁性挫折效应。
• 沉积物是晶体并由具有铁磁性的 Co-Fe 核心和 ferrimagnetic 氧化物外壳组成，影响磁性行为。
• 微型霍尔测量揭示取决于外部场角度的复杂逸场滞后；宏自旋模型捕捉了许多特征，但在某些情况下需要微磁仿真才能得到详细的一致性。
• 核壳磁结构（Co3Fe 核/ Co2FeO4 外壳）在多角度下与实验逸场数据有良好一致性，尤其是在宏自旋单独无法处理的困难角度。
• 宏自旋模型提供切换的可扩展第一轮解释，而微磁仿真验证并细化理解，突出近表面氧化物在真实样品中的作用。
• 演示包括3D 纳米树和纳米立方体几何，有把顶点替换为非磁性段以形成3D阵列用于Ising/Heisenberg样研究的潜力。