直径梯度可调的新型磁纳米阵列的设计、磁相互作用机理和新颖磁电特性的研究

Methods to control magnetic properties are lacking for general magnetic nanowire arrays. Additionally, the magnetic micro-mechanism can’t be understood completely. Therefore, many potential applications in nanowire arrays can’t be developed. In this project, we propose to design and fabricate a novel nanowire array with tunable gradient diameter. To our knowledge, it is the first time to design and fabricate nanowire array with a new degree of freedom in gradient diameter. The variable wire diameter and separation will bring about the intricate competition between the short-range exchange interaction and the long-range dipolar interaction, which will be quantitatively characterized using first-order reversal curves (FORCs) technique. We will systematically investigate the effect of gradient diameter range on the magnetic interactions, revealing their unique features in manifesting electromagnetic properties from dc to microwaves. From these structure-property relationship, we aim to achieve, via the controlling of magnetic interactions, two novel electromagnetic properties---- multi-state memory effect and tunable ferromagnetic resonance, thereby achieving fundamental understanding of magnetic interactions and technologically breakthroughs novel tunable microwave devices and broadband absorption materials. The results will open a new avenue to realize multi-state memory and tunable ferromagnetic resonance and to develop novel electromagnetic devices. The proposal leverages on our deep understanding and ability to quantitatively characterize magnetic interactions and preliminary demonstrations on novel electromagnetic behaviors. We anticipate not only to significantly advance the understanding of magnetic interaction in magnetic nanowire array, but also to pave the road for future developments of novel microwave devices.

常规磁性纳米阵列的调控手段单一，磁微观机制认识不足，严重制约了其潜在应有。为此，本项目设计了一种具有直径梯度可调的全新磁纳米阵列，开创性地将直径梯度作为新变量引入纳米阵列的电磁功能构筑中。课题组拟采用一阶回转曲线法定量计算和分析阵列内的两种磁作用机制：长程磁偶极作用和短程磁交换作用；系统研究梯度变化对磁作用机制的影响；掌握通过磁相互作用力的调控来构筑纳米阵列电磁特性的规律与方法；设计和实现两种全新的电磁特性——多态记忆效应和可调控铁磁共振特性；以此为基础探究设计和实现新型可调谐微波器件和超宽频率吸波器件的可行性。本项目所制备的直径梯度可调的磁性纳米阵列，磁微观机制及实现多态记忆效应和可调控铁磁共振特性的叠加都是全新的研究成果。该研究无论研究对象还是研究内容与思路都是一项开创性工作，不但有助于加深纳米阵列磁化微观机制的理解，还可将基于磁性纳米阵列的新型电磁器件的研究引向深入。

本项目主要针对梯度直径的磁性纳米线阵列开展了制备及其磁性的研究，特别在磁相互作用方面开展了大量工作，取得了一些极具参考性的结果。课题组按照项目计划书的要求，采用AAO模板辅助电沉积法制备了一系列梯度直径磁性纳米线阵列，并采用SEM、HTEM-EDS、XRD等表征手段，观察分析梯度直径纳米材料的成分分布、相组成、化学结构、形貌特点等界面特性，使用VSM研究纳米线阵列间的磁相互作用及其非常规磁各向异性；采用一阶反转曲线（FORCs）来定量计算和分析梯度直径纳米线阵列内的矫顽力的三维空间分布。.在以往的研究中，磁性纳米材料用于磁存储介质方面主要存在两个问题：一是磁存储密度较小，难以满足信息社会的存储要求；二是磁性纳米线用于存储信息，从理论上分析，存在信息容易丢失的问题。所以，要将磁性纳米线在磁存储方面的研究落实到实际应用中具有必须解决的难题。而目前的研究中，大部分对磁性纳米线的研究仅通过调控纳米线的几何参数（直径、长度，间距）实现对纳米线磁各向异性的调节，但是并没有解决技术难题，而且在磁相互作用方面的研究也十分缺乏，导致磁性纳米材料应用于磁存储方面遇到技术瓶颈，很难持续突破。.因此，针对目前的研究现状，课题组创新性的将长度轴向变量引入以往的磁性纳米线的制备中以期望其具有非常规磁各向异性。事实证明：梯度直径的特殊结构可以为材料创造钉扎点，从而影响其磁化反转过程，并且梯度直径的纳米线具有明显优于均匀直径纳米线的优点：1、矫顽力低，并且受纳米线粗端的控制，这导致良好的可写性2、提取的各向异性很高，并且受纳米线较细端的控制，表明具有良好的热稳定性。这一特性解决了目前纳米线应用于磁存储的最大问题，受此启发，完全可以基于此结构实现信息写入性与信息存储稳定性的最优匹配。梯度直径纳米线的这种独特的磁性相互作用的空间分布也可能会产生记忆效应和可调铁磁共振的全新物理特性，这为磁性纳米线在磁存储介质、自旋电子器件等方面的应用提供了现实可能性。