钴/铁氧化物界面化学与磁性的相互作用：外延异质结构Co/Fe3O4与Co/α-Fe2O3的对比研究

本研究针对金属/氧化物界面在自旋电子学中的关键作用，通过分子束外延（MBE）构建Co/Fe3O4和Co/α-Fe2O3外延异质结构，结合STM、XAS、XMCD等技术，揭示了钴氧化与铁还原的界面反应机制及其对磁性的调控。研究发现，钴纳米结构在两种氧化物界面均被氧化，且伴随铁价态变化，导致反铁磁赤铁矿（α-Fe2O3）出现非补偿磁矩，而钴在磁铁矿（Fe3O4）界面1 nm以下厚度时轨道磁矩显著增强。该成果为设计高性能自旋器件提供了理论依据。

　　

论文解读

金属与氧化物的界面是材料科学中的“魔术师”，它们能通过原子尺度的相互作用，赋予材料全新的电子、磁性和催化特性。在自旋电子学领域，铁氧化物如磁铁矿（Fe₃O₄）和赤铁矿（α-Fe₂O₃）因其独特的铁磁/反铁磁性质备受关注。然而，当这些氧化物与金属钴结合时，界面究竟会发生怎样的化学反应？磁性如何被重构？这些问题长期困扰着研究者。波兰科学院的研究团队在《Applied Surface Science》发表论文，通过对比Co/Fe₃O₄(111)和Co/α-Fe₂O₃(0001)外延异质结构，揭开了这一谜题。

研究团队采用分子束外延（MBE）技术，在超薄Pt(111)/MgO(111)衬底上生长铁氧化物薄膜，并沉积钴层。通过低能电子衍射（LEED）和扫描隧道显微镜（STM）表征表面结构，结合X射线吸收光谱（XAS）、X射线磁圆二色性（XMCD）等技术分析化学与磁性状态。实验发现，钴在两种氧化物界面均被氧化，但赤铁矿界面形成的钴氧化物层更厚。更关键的是，界面铁原子被还原，导致赤铁矿（本为反铁磁体）出现非补偿磁矩，而钴在磁铁矿界面1 nm以下厚度时轨道磁矩增强3倍。同步辐射磁显微技术进一步证实，钴与两种氧化物的磁畴结构直接耦合——钴与磁铁矿呈铁磁耦合，而与赤铁矿的磁性修饰层也表现出强关联。

主要技术方法
研究利用分子束外延（MBE）制备异质结构，通过低能电子衍射（LEED）和扫描隧道显微镜（STM）进行原位表面形貌分析，结合X射线吸收光谱（XAS）、X射线磁圆二色性（XMCD）等同步辐射技术解析界面化学与磁性，并采用转换电子穆斯堡尔谱（CEMS）验证铁价态变化。

研究结果

1. 氧化物层表征：LEED和STM显示，Pt(111)/MgO(111)衬底上的铁氧化物呈现“双相”超结构，即表面存在周期性重构的原子层，这显著影响钴的成核与生长模式。
2. 界面反应机制：XAS证实钴在界面被氧化为Co²⁺，同时Fe³⁺被还原为Fe²⁺，且赤铁矿界面的氧化层厚度是磁铁矿的2倍。
3. 磁性调控：XMCD数据显示，钴在磁铁矿界面1 nm以下时轨道磁矩达体相值的300%，而赤铁矿界面因铁还原产生非补偿磁矩，形成“人工铁磁层”。

结论与意义
该研究首次系统揭示了钴/铁氧化物界面的化学-磁性协同效应：界面氧化还原反应不仅改变材料本征磁性，还能通过轨道矩增强或反铁磁体改性实现磁性“裁剪”。这一发现为设计新型自旋阀、磁存储器件提供了新思路——例如，利用赤铁矿界面诱导的磁矩可构建低功耗反铁磁自旋器件。此外，双相超结构对金属生长的调控作用，为异质结的精确制备提供了理论指导。波兰团队的工作将界面化学与磁性的基础研究推向原子尺度，为下一代自旋电子学材料开发奠定了重要基石。