北京工业大学材料与制造学部
工作信息
2023年第162期
首次实现磁弹性过程中磁畴变化的高空间分辨原位定量化观测
磁弹性是指铁磁性材料在机械应力（应变）的作用下，其磁性随之改变的现象，是建立材料磁性和力学性能关联性的纽带。其最早可以追溯到19世纪（150年前），E. Villari第一次发现了磁弹性现象。此后，磁弹性被广泛应用于传感、控制和增强各种材料以及设备的磁性。然而，虽然经历了几十年研究，磁弹性物理机制仍然没有完全建立，这主要是由于实验方法和技术的限制，导致相关的实验证据和物理图像缺乏。如何实现高空间分辨定量化测量磁结构变化，并定量精确控制应变尤为困难。透射电子电镜与扫描隧道显微镜和原子力显微镜分享1986年诺贝尔奖，其发展和进步为解决这个关键科学问题提供了科学仪器基础，其中离轴电子全息术可以在透射电镜内对纳米材料中的磁结构进行定量化的测量。北京工业大学韩晓东教授团队原创的原位双倾力学实验装置的研发，使得在透射电镜内对上述重大基础科学问题研究成为可能。
近日，球差电镜的发源地，德国于利希研究中心Rafal E. Dunin-Borkowski教授团队与北京工业大学韩晓东教授团队合作，创新性的将原位Fresnel散焦像，离轴电子全息术与原位双倾拉伸装置相结合，首次实现了应变状态下纳米单晶镍中磁弹性过程中磁畴变化的纳米尺度原位定量化观测。基于循环力学加载过程中磁畴变化的动态观测，示了拉伸应变状态下磁结构形核、可逆演化的过程，回答了长期困扰该领域的重大基础科学问题。该成果于2023年6月5日发表于国际顶级期刊《Nature communications》——《Direct observation of tensile-strain-induced nanoscale magnetic hardening》（https://doi.org/10.1038/s41467-023-39650-8）。其中，于利希研究中心与北京工业大学理学部联合培养的博士后孔德利为第一作者，于利希研究中心András Kovács博士，太阳集团城网2018韩晓东教授为通讯作者。
团队首次观测到应变诱导的周期性180°磁畴壁的形核和解离（图1）。结合路易斯安那大学Michalis Charilaou博士的模拟结果，为铁磁性纳米结构材料中的应变导致的磁硬化提供了直接证据（图2）；通过增加拉伸循环中的应变，使纳米尺寸的镍形核堆垛层错，从而揭示了缺陷对纳米材料磁结构的影响机制，发现层错对于拉伸状态下的样品磁结构没有明显影响，但会在卸载应变过程中导致磁结构变化（图3）；最后，实现了应力对材料磁化方向的可控调节，如图4a，b中的Fresnel散焦图所示，研究者首次发现并建立磁畴尺寸的样品尺寸效应（图4c，d）。
该项工作将实验观察与微观磁学模拟相结合，实现了拉伸应变与磁弹性耦合的高空间分辨观测，直接证明了拉伸导致的原子间距的变化引发了显著的磁各向异性变化，进而导致磁性状态的转变和纳米尺度样品的磁性硬化。由于应变诱导的磁性状态对外部磁场的响应与无应变状态不同，因此磁化率也受到应变影响。研究表明纳米尺度的铁磁性材料可以用作定向机械应变的传感器，可以通过测量其磁化率或在微型器件中进行电传输的测量来实现。该研究为未来相关器件的设计与应用提供了重要基础数据和物理机制参考。
上述成果获亥姆霍兹-OCPC中德博士后交流项目，欧洲研究理事会2020地平线研究和创新计划，德国研究基金会，中国高等学校学科创新引智计划（“111计划”）和美国路易斯安那州董事会的支持。
