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FeGe纳米线中外延应力导致的铁磁性


□ 曾长淦

  摘 要对在Ge(111)表面沿着<11-0>方向外延生长的单斜FeGe纳米线进行研究,结果发现,虽然块体单斜FeGe相是反铁磁性,其纳米线却在200 K以下表现出强铁磁有序.每个Fe原子的磁矩为0.8 μB.密度泛函计算揭示外延产生的晶格压缩使类派尔斯反铁磁基态失稳,从而稳定实验观察到的铁磁性.
  关键词纳米磁性,纳米线,外延应力,密度泛函计算
  
  Epitaxial stabilization of ferromagnetism in FeGe nanowires
  ZENG Chang\|Gan
  (Hefei National Laboratory for Physical Sciences at Microscale, Department of Physics, University of Science and Technology of China, Hefei 230026 China)
  
  AbstractEpitaixial monoclinic FeGe nanowires have been grown on Ge(111) along the <11-1> direction. Whereas monoclinic FeGe is antiferromagnetic in the bulk, the nanowires are surprisingly strong ferromagnets below ~200 K, with an average magnetic moment of 0.8 μB per Fe atom. Density functional calculations indicate that the observed ferromagnetism is stabilized by lattice compression, which destabilizes the antiferromagnetic Peierls-like ground state.
  Keywordsnano ferromagnetism,nanowires, epitaxial strain,density functional calculations
  
  由于在技术上有非常多的应用,对固体中强磁性的研究一直是磁学研究的重点.然而从物理内涵来讲,强磁性比较单调沉闷.物理学家更感兴趣的是各种弱磁性的材料,因为它们蕴含更丰富的物理机制,并且可能导致一些新颖物相的出现.人们希望能够理解其中的自旋相互作用以及自旋与其他自由度(如轨道、电荷、晶格振动等)的相互作用,从而可以优化设计出集成度更高、能耗更低、速度更快的物理器件.比如,高温超导体的母体化合物磁性为反铁磁性,但经“电子”或“空穴”掺杂后,长程反铁磁性被抑制,一种新颖的弱磁序-短程自旋涨落占主导.这种短程自旋涨落被认为是和高温超导电磁紧密相关的,很有可能是电子配对产生超导的根源.让人惊讶的是,最近在一些弱铁磁性材料(如UGe2,ZrZn2 )[1]中,发现在低温下超导性竟然能够和铁磁性共存,这与以前人们的认识大相径庭.其中的超导电子配对机理仍不完全清楚,但可能与弱铁磁性的涨落有关.
  当材料尺度缩小到纳米尺寸时,由于尺寸效应、表面效应等而常常表现出迥异于体相的性质.可以预料,磁性材料,甚至是强磁性材料,当尺寸降到纳米级别时,将呈现不同于体相的丰富多彩的现象.强铁磁性材料Fe通常为体心立方结构,居里温度高达1040 K.然而在Cu(100)表面外延生长的Fe超薄膜则为面心立方结构,而且其磁性随薄膜厚度变化而改变,可以出现不同的磁性有序相,如反铁磁性,低自旋和高自旋铁磁性[2].表面效应对纳米尺度的磁性影响非常大:反铁磁材料(如NiO,CoO)的纳米颗粒由于表面存在没有被抵消的同方向自旋而表现出剩余的铁磁性;甚至体相为非磁性的Pd纳米颗粒也能出现铁磁有序,这是因为Pd纳米颗粒的某些晶面(如(100)面)上的局域态密度得到增强,满足Stoner判据,从而稳定表面的铁磁有序[3].
  在某些具有复杂相互作用的弱磁性材料中,铁磁序和反铁磁序相互竞争,两者的基态能量相差很小,其中一方以微弱优势取胜,从而使该体系表现为这一方的弱磁性有序.因此即使施加很弱的外场也极有可能使其转变为另一磁性相.比如对于GeCuO3,铁磁序和反铁磁序基态的能量差别非常小,反铁磁序胜出.最新的计算表明,只要施加约1GPa的静压就能使其转变为铁磁序,并且已经被单晶块材的高压实验所证实[4].
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