FeCoNi纳米线几何结构调控磁行为及其在三维赛道存储器中的应用研究

本研究针对三维磁存储器对高稳定性单畴纳米线的需求，系统探究了FeCoNi纳米线直径(40-120 nm)和长度(1.5-6 μm)对磁各向异性、矫顽力(Hc)及反转机制的影响。通过电沉积、FORC分析和洛伦兹电镜等技术，发现40 nm直径纳米线具有非相互作用单畴结构，其磁矩反转遵循涡旋畴壁(V)到横向畴壁(T)的转变机制，为开发基于FeCoNi纳米线阵列的3D赛道存储器提供了关键材料基础。

　　

在人工智能时代，数据存储技术正面临前所未有的挑战。传统硬盘依赖机械旋转部件，其读写速度和稳定性已难以满足需求。三维赛道存储器（3D racetrack memory）作为革命性解决方案，通过电流脉冲操控磁性纳米线中的畴壁运动来实现数据存储，但核心难题在于如何制备具有稳定单畴结构的磁性纳米线。现有研究面临材料选择有限、几何参数影响机制不明确等问题，特别是缺乏对三元合金纳米线系统的系统性研究。

针对这一挑战，研究人员通过模板辅助电沉积技术，在聚碳酸酯膜中制备了直径40-120 nm、长度1.5-6 μm的FeCoNi纳米线阵列。采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)表征形貌结构，超导量子干涉仪(SQUID)测量磁滞回线和角依赖矫顽力，结合一阶反转曲线(FORC)分析和洛伦兹透射电镜(Lorentz-TEM)深入研究磁结构和相互作用。

3.1 电沉积工艺
电流-时间曲线显示四阶段沉积过程：初始成核、质量传输限制、稳态沉积和表面过度沉积。40 nm直径纳米线沉积时间最短（因模板孔隙率低），电流密度达315 mA/cm²，而120 nm样品仅95 mA/cm²。通过控制沉积电荷量精确调控纳米线长度，1.5 μm短纳米线所需电荷量仅为6 μm长纳米线的25%。

3.2 化学组成
能量色散谱(EDS)和高角环形暗场扫描透射电镜(HAADF-STEM)证实所有纳米线具有均匀的原子组成（Fe₁₃Co₂₄Ni₆₃），不受长度影响。选择性比(SR)参数表明沉积过程呈现"异常共沉积"特征，镍离子还原受到抑制。

3.3 形貌与结构
SEM显示纳米线连续无孔隙，直径均匀。透射电镜(TEM)发现沿生长方向的纳米孪晶缺陷，源于合金元素晶体结构(fcc/bcc/hcp)差异导致的堆垛层错。XRD显示fcc和hcp相共存，120 nm直径样品中hcp相比例显著增加。

3.4 磁性能
磁测量揭示显著的轴向磁各向异性：

• 直径效应：40 nm纳米线矫顽力(H_c)达1110 Oe，比120 nm样品(570 Oe)提高95%，方形度(M_r/M_s)从65%增至80%，符合单畴结构特征。
• 长度效应：1.5 μm短纳米线的磁各向异性参数Sq_out/Sq_in比6 μm样品高30%，证实形状各向异性主导。
  角依赖矫顽力分析显示非单调变化：在70°出现峰值，表明低角度区以涡旋畴壁(V)传播为主，高角度区转为横向畴壁(T)或相干旋转(C)。

FORC图谱揭示：

• 40 nm样品沿H_c轴单峰分布(920-1420 Oe)，H_u≈0，证实非相互作用单畴特性。
• 100 nm样品沿H_u轴展宽(-400至400 Oe)，显示增强的静磁相互作用。

洛伦兹电镜观察到均匀菲涅尔条纹，未发现畴壁，进一步验证单畴结构。

这项研究首次系统阐明了FeCoNi纳米线几何参数与磁性能的构效关系，40 nm直径纳米线展现出理想的非相互作用单畴特性，其矫顽力调控机制和反转动力学为设计多段纳米线存储器提供了理论依据。采用聚碳酸酯模板（孔隙率仅0.7%）成功降低了纳米线间相互作用，相比传统氧化铝模板具有显著优势。研究结果不仅推动了三维赛道存储器的实用化进程，也为其他纳米线基自旋电子器件开发提供了新材料体系。未来可通过引入钉扎中心构建多段纳米线，进一步验证畴壁操控的可行性。