纳米尺寸FeRh结构中超磁转变的尺寸依赖性研究及其在多功能器件中的应用

本研究通过掩模分子束外延技术制备不同尺寸的FeRh纳米岛，利用纳米聚焦同步辐射核散射技术原位观测其磁态转变。发现随着尺寸减小，FeRh的超磁相变（AFM-FM）逐渐减弱直至消失，揭示了表面体积比增大、原子配位改变和氧化效应是导致纳米尺度磁特性改变的关键因素。该成果为设计高性能自旋电子器件和磁制冷材料提供了理论依据。

　　

论文解读

背景与科学问题
铁铑合金（FeRh）因其独特的反铁磁-铁磁（AFM-FM）超磁相变特性，在自旋电子学、磁制冷和数据存储等领域备受关注。然而，当材料尺寸进入纳米尺度时，其磁相变行为往往发生显著改变，甚至完全消失。这种尺寸依赖性背后的物理机制尚不明确，严重制约了FeRh在纳米器件中的应用。例如，传统观点认为体相FeRh在室温下呈AFM态（μ_Fe=3.3μ_B），升温至370 K时转变为FM态（μ_Fe=3.2μ_B，μ_Rh=0.9μ_B），并伴随1%晶格膨胀。但薄膜和纳米结构中，界面效应和尺寸限制可能导致相变温度偏移或消失，亟需系统性研究。

研究设计与方法
欧洲同步辐射实验室等机构的研究人员采用掩模分子束外延（MBE）在MgO(001)基底上制备了不同尺寸的FeRh纳米岛，结合纳米聚焦同步辐射核散射（NRS）、透射电镜（TEM）和X射线衍射（XRD）进行多尺度表征。关键技术包括：1）Langmuir-Blodgett技术沉积200 nm二氧化硅球掩模；2）原位监测AFM-FM相变；3）通过能量色散X射线谱（EDX）验证成分均一性（Fe:Rh=1:1）。

研究结果

1. 方法学验证
   TEM和STEM显示纳米岛具有均匀的CsCl型（b2）晶体结构，HAADF-STEM成像证实无成分偏析。XRD揭示尺寸减小导致晶格参数变化，与宏观体材料差异显著。

2. 尺寸依赖的磁相变
   NRS数据显示：当纳米岛尺寸低于临界阈值（约50 nm）时，AFM-FM相变完全消失；中等尺寸（50-200 nm）样品相变温度降低且转变范围展宽。作者提出表面原子占比增加（表面体积比效应）和界面氧化是主要抑制因素。

3. 机制探讨
   通过有限元模拟发现，纳米尺度下磁弹耦合减弱，导致相变驱动力不足。此外，MgO界面处的氧扩散可能形成非磁性氧化层，进一步阻碍长程磁有序。

结论与意义
该研究首次定量揭示了FeRh纳米结构中超磁相变的尺寸阈值效应，为设计基于尺寸调控的多功能磁电器件提供了新思路。例如，可通过精确控制纳米岛尺寸实现局域化磁相变，应用于高密度磁存储或可编程自旋阀。论文发表于《Vacuum》，其创新性在于将同步辐射纳米探针技术与MBE生长结合，为纳米磁学研究建立了方法论范式。未来研究需进一步探索电场、应力等多场耦合对纳米FeRh相变的调控作用。