研究内容

发布时间:2021-01-27

研究内容

软X射线吸收谱、X射线磁圆二色谱(XMCD)以及X射线磁线二色谱(XMLD)的测量基于高亮度、高能量分辨率和偏振度可调的同步辐射光源,相比于常规的磁性测量技术有超高的表/界面灵敏度和元素分辨的优势,可以明确样品的原子配位环境和电子结构,同时测量铁磁序和反铁磁序,区分轨道磁矩和自旋磁矩,对磁性材料的磁矩大小、磁矩方向、磁晶各向异性以及晶体场等信息提供量化的研究,已经广泛应用于能源材料、磁性材料、铁电材料、超晶格材料等各种材料。

 

技术手段:

1.通用软X射线吸收谱测量

 

 

2.软X射线磁圆二色测量(XMCD)

 

 

3.软X射线磁线二色测量(XMLD)

 

研究体系:

1、电池材料

 

图:(a)HR-TEM结果和软X射线吸收谱结果P的K边(b)、C的K边(c)、P 的L边(d)(Science 2020, 370, 192-197)

软X射线吸收谱技术是研究能源电池材料微观结构的有效手段,可以给出电极材料中的原子配位环境和电子结构,结合其它表征结果,揭示储能机制。

2、催化材料

 

图:(a) 氨合成工艺示意图;(b) Fe基催化剂模型示意图; (c) N K-edge软X射线吸收谱

软X射线吸收谱技术是研究能源催化材料微观结构的有效手段,可以给出催化材料中的原子配位环境和电子结构,结合其它表征结果,揭示催化反应机制。

3、铁磁/反铁磁多层膜材料

 

图:LaFeO3/Co体系的磁畴成像和铁磁XMCD与反铁磁XMLD谱线的测量,取自F. Noting et al., Nature 405, 767 (2000)

X射线磁圆二色谱和X射线磁线二色谱是提取铁磁样品和反铁磁样品磁畴的有利手段,其元素分辨和界面灵敏的优势在磁性双层膜、多层膜体系中发挥了有效的作用。

4、反铁磁材料

 

图:NiO/Co体系和CoNiO/NiO/Fe体系NiO弹簧结构示意图和NiO的吸收谱线,(a)(b)取自A. Scholl et al., PRL 92, 247201 (2004), (c)(d)取自Q. Li et al., Phys. Rev. Mater. 3, 114415 (2019)

利用铁磁/反铁磁之间的界面耦合作用,通过磁场拉动铁磁层的磁矩方向,进而构造了反铁磁层中的单畴或者弹簧畴壁结构。X射线磁线二色谱是探测反铁磁自旋方向的有效手段。

5、二维磁性材料

 

图:(a) Fe3GeTe2/[Co/Pd]多层膜体系中Fe3GeTe2和[Co/Pd]的磁畴图像, (b) Fe3GeTe2中斯格明子的洛伦兹电镜图像,(c)-(f)Co/Pd层和Fe3GeTe2层的XMCD谱线及磁滞回线。(a)-(f)取自 M. Yang et al., Sci. Adv. 6, eabb5157 (2020)

X光磁圆二色谱在二维磁性材料的研究中发挥着重要的作用,利用XMCD技术可以得到不同铁磁层的磁性强弱、饱和场大小、易磁化轴、轨道磁矩、自旋磁矩等信息。

6、铁电材料

 

图:(a)(b) 1nm-厚的锆掺杂的HfO2层的电极化矢量可以被电场翻转示意图,厚度依赖的HfO2层氧K边的(c)XAS和(d)XLD. (e) 从Zr M2吸收边XLD数据提取的轨道极化随HfO2厚度的变化。(a)-(e)取自S. S. Cheema et al., Nature 580, 478 (2020)

X射线吸收谱线在铁电材料中元素的价态分析中发挥着重要的作用,X光线二色谱(XLD)可以确定铁电材料中晶体场的变化,是探测晶格畸变的有效手段。

7、超晶格材料

 

图:(a) 拥有垂直磁晶各向异性的La1-xSrxMnO3/SrIrO3超晶格体系的结构示意图和电镜图像, (b) La1-xSrxMnO3随x不同值的选择从铁磁变成反铁磁,L3/L2峰强的比值揭示了电子从Ir4+向Mn4+的转移,(c)垂直各向异性和氧八面体转角随x值的变化,(a)-(c)取自D. Yi et al., PRL 119, 077201 (2017)

X射线吸收谱、X光磁圆二色谱和X光线二色谱可以得到超晶格结构样品中的元素价态和电荷转移、磁性强弱、铁磁-反铁磁相变、晶体场的畸变等信息,是探测超晶格样品物理特性的有效手段。