上海纽约大学物理学助理教授陈航晖带领团队与上海科技大学、美国阿贡国家实验室及美国国家标准技术研究所开展合作研究，在实验制备的氧化物薄膜中发现“软磁”这一特殊物理性质并从理论层面探析其成因。研究成果在今年四月发表于纳米科技领域国际期刊ACS Nano。
“磁”是日常生活中最常被研究的物理性质之一。科学家通常使用“磁化强度”的概念来描述磁性材料。“可以把它想象成存在于磁性材料中的隐形箭头，它们会指向不同的方向。当箭头指向方向发生变化时，材料的整体能量也会随之变化，”陈教授介绍说，“在如薄膜这样的二维材料中，由于形状、厚度等因素的限制，磁化强度通常呈纵向（垂直于薄膜平面）或横向（平行于薄膜平面），以达到稳定状态。”
光学显微镜下厚度为8纳米的LaMnO3薄膜
本次研究中，由上海科技大学翟晓芳教授课题组带领的实验团队，使用“水溶牺牲层方法”，在镧锰氧（LaMnO3）块材的基础上制备出LaMnO3薄膜。在对成品LaMnO3薄膜进行检测时，团队发现其呈现出氧化物薄膜中罕见的“软磁”现象，即原本在薄膜中应有垂直或平行指向倾向的磁性强度，在LaMnO3薄膜中却无指向偏好，在两个方向上均为稳定状态。
陈航晖教授团队发挥在材料理论研究领域中的专长，着手从理论层面分析和探寻本次氧化物薄膜中“软磁”性质出现的成因。“我们开展了第一性原理计算对系统进行建模，经过两年的工作与分析，最终将薄膜中‘软磁’的成因，归结于制备过程中采用的‘水溶牺牲层方法’。”陈教授说。
“水溶牺牲层方法”（“水溶法”）最早由斯坦福大学的研究人员在2016年提出。在材料科学领域，利用该方法制备氧化物薄膜尚处于早期阶段。使用该方法制备薄膜时，首先需要在可溶于水的基材上培植一层薄膜，随后将其整体浸入水中，待基材溶解后，留取薄膜本身。“我们分析发现，在水溶过程中，水中的氢原子进入了薄膜表面，因此意外改变了薄膜的物理性质。”陈教授说。
“可以说，经过水溶工艺后，我们实际得到的薄膜是多层的，像三明治一样。氢原子停留在上下两个表面，导致该层面上的磁化强度发生变化，”陈教授说，“薄膜内部的磁化强度倾向于指向平行方向，而薄膜表层受氢原子渗入的影响，其磁化强度倾向于指向垂直方向。因此当将薄膜的多层视为一个整体时，其磁化强度便没有了平行或垂直的指向偏好，而呈现出‘软磁’的状态。”
根据此前对于“水溶法”的普遍认识，研究人员起初未料想到该方法会引发材料性质的变化。此外，由于其特殊性质，仅使用常规工具难以对氢原子进行观测。本次研究中，数据中观测到的异常信号启发了研究人员进一步检测所制备薄膜的氢原子情况，并最终得以解释氧化物薄膜中呈现“软磁”的这一罕见现象。
陈教授说，“虽然本次研究专注于LaMnO3薄膜，但从分析结果来看，我们倾向于认为‘水溶法’改变所制备材料物理性质的这一现象，可能普遍存在于自支撑氧化物薄膜当中。本次研究的发现加深了我们对‘水溶牺牲层方法’的认识，也希望能启发更多团队在未来的研究中，更加关注制备工艺对材料性质的影响。”
刘芝伟（右起第三位）与陈航晖教授团队
本篇研究论文的共同第一作者刘芝伟是陈航晖教授团队中的博士生，来自华东师范大学-上海纽约大学联合培养研究生专项（N.E.T. Program）。“刘芝伟十分优秀，对学术有热情，肯付出。读博虽然只有两年，但已有多篇优质论文发表，并多次参与合作项目。去年他也曾以共同第一作者身份在《美国国家科学院院刊》上与清华大学合作者共同发表文章。”陈教授说。