2月5日，清華大學(xué)材料學(xué)院朱靜、鐘虓、于榮研究組在高空間分辨材料磁性表征方法取得重大進展，于國際頂級期刊《自然·材料》(Nature Materials)在線發(fā)表了題為“應(yīng)用色差校正電子顯微學(xué)方法進行原子尺度磁圓二色譜成像”（Atomic scale imaging of magnetic circular dichroism by achromatic electron microscopy）的研究論文。該研究基于朱靜、鐘虓、于榮研究組之前所發(fā)展的定量電子磁圓二色譜（Electron Magnetic Circular Dichroism）技術(shù)和占位分辨電子磁圓二色譜技術(shù)，優(yōu)化衍射動力學(xué)條件，應(yīng)用色差校正透射電子顯微學(xué)技術(shù)，聯(lián)合德國于利希研究所、亞琛工業(yè)大學(xué)、瑞典烏普薩拉大學(xué)與日本筑波大學(xué)的合作者，在國際上首次通過實驗手段獲得了材料內(nèi)部原子面分辨的磁圓二色譜，并基于實驗結(jié)果定量計算出每一層原子面的元素的軌道自旋磁矩比，該工作被選為《自然·材料》當(dāng)期目錄圖片。
《自然·材料》當(dāng)期目錄圖片:原子面分辨自旋探測示意圖。
磁性材料被廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟和國家安全中的各個領(lǐng)域，信息科技的高速發(fā)展尤其對磁性材料的先進性能研發(fā)提出了迫切需求。實現(xiàn)自旋構(gòu)型與材料結(jié)構(gòu)的原子尺度協(xié)同定量表征，是理解、預(yù)測與調(diào)控磁性材料的物理性質(zhì)的關(guān)鍵
近五十年以來，傳統(tǒng)的磁成像手段如中子衍射、X射線磁圓二色譜、電子全息等，成像分辨率達到微米或納米尺度，均無法實現(xiàn)原子分辨。實現(xiàn)自旋構(gòu)型原子尺度成像，在當(dāng)今材料科學(xué)基礎(chǔ)研究中具有重大的科學(xué)意義，在設(shè)計制造高密度、低功耗、快速的存儲器件、推進信息與通訊技術(shù)方面有廣闊的應(yīng)用前景。
清華大學(xué)材料學(xué)院朱靜、鐘虓、于榮帶領(lǐng)幾代研究生王自強、宋東升、王澤朝等圍繞原子尺度自旋表征領(lǐng)域開展了長達十年的持續(xù)攻關(guān)。他們原創(chuàng)性地發(fā)展了定量電子磁圓二色譜技術(shù)，實現(xiàn)了利用透射電子具高空間分辨的占位分辨的磁參數(shù)測量及材料面內(nèi)本征磁性測量等技術(shù)，解決了納米尺度上定量獲得材料磁結(jié)構(gòu)信息的難題。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合色差球差校正與空間分辨電子磁圓二色譜技術(shù)，突破性地實現(xiàn)逐層原子面的自旋構(gòu)型成像，定量測量原子尺度的軌道自旋磁矩比，在原子尺度上同時測量材料的結(jié)構(gòu)、成分與磁矩。該研究團隊在國際上首次成功地將自旋表征磁圓二色譜的分辨率從納米尺度推進到了原子尺度，將材料的軌道自旋磁矩分布磁信息與其原子構(gòu)型、元素組成、化學(xué)鍵合等結(jié)構(gòu)信息在原子層次上一一對應(yīng)，如圖2所示，對于在原子尺度理解自旋、晶格、電荷、軌道等多個自由度的結(jié)構(gòu)參量與材料磁性能之間的相互關(guān)聯(lián)有重要意義。電子磁圓二色譜技術(shù)自2006年誕生以來，由于其實驗技術(shù)和理論解釋的復(fù)雜性與挑戰(zhàn)性，十多年來國際范圍內(nèi)僅有有限的幾個研究組堅持這一方向的研究，而北京電子顯微鏡中心經(jīng)過幾代人的努力，在該領(lǐng)域得到了穩(wěn)健的、飛速的發(fā)展，目前已受到國內(nèi)外學(xué)術(shù)界的普遍關(guān)注。原子尺度磁圓二色譜成像工作于2018年2月5日被國際頂級的材料科學(xué)雜志《自然·材料》在線發(fā)表。
圖2. 原子尺度材料結(jié)構(gòu)-成分-磁矩的協(xié)同定量測量。
清華大學(xué)材料學(xué)院副研究員鐘虓為本文的通訊作者，他的清華大學(xué)博士學(xué)位論文（2001-2006）就是利用電子能量損失譜方法研究Ni3Fe的電子結(jié)構(gòu)，掌握了電子能量損失譜的基本理論知識和實驗技能；博士后（2006-2010）在美國阿貢國家實驗室學(xué)習(xí)和應(yīng)用美國消像差電子顯微鏡項目中裝有原型色差校正器的電子顯微鏡，2010年回清華后加入朱靜的電子磁圓二色譜研究課題組。清華大學(xué)材料學(xué)院2015級碩士研究生王澤朝為本文的第一作者。合作者包括清華大學(xué)材料學(xué)院朱靜教授、于榮教授、碩士研究生江翰博同學(xué)，德國于利希研究中心（提供了世界上僅有1臺的50-300千伏色差球差校正電子顯微鏡支持）的阿米爾·塔瓦比（Amir Tavabi）博士、金磊博士、拉法爾·杜寧-波科夫斯基（Rafal Dunin-Borkowski）教授和亞琛工業(yè)大學(xué)的約阿希姆·邁爾（Joachim Mayer）教授，瑞典烏普薩拉大學(xué)的楊·如施（Ján Rusz） 博士與德米特里·秋瓊尼科夫（Dmitry Tyutyunnikov）博士，日本筑波大學(xué)的守有·浩（Yutaka Moritomo）教授。該課題是在國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委，科技部973計劃、清華大學(xué)自主科研計劃、國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項、清華大學(xué)亞琛工業(yè)大學(xué)研究生交流獎學(xué)金等經(jīng)費的支持下完成的，得到了北京電子顯微鏡中心的設(shè)備和各種資源的支持。
化學(xué)慧納米材料系列產(chǎn)品
