α-Fe2O3, hay hematit, sở hữu cấu trúc corundum trigonal đặc trưng với các mạng con phản song song. Các spin Fe nằm trong mặt đáy và vectơ Néel vuông góc với trục c. Sự hiện diện của tương tác DMI gây ra hiện tượng nghiêng của các mạng con. Khi làm lạnh, α-Fe2O3 trải qua quá trình chuyển đổi Morin, trong đó các mạng con định hướng lại theo trục c, làm cho mômen nghiêng biến mất. Quá trình chuyển đổi Morin là kết quả của sự cân bằng giữa các đóng góp từ lưỡng cực từ và dị hướng từ ion đơn lẻ.
Để hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của hydro (H) đến α-Fe2O3, các màng mỏng epitaxial định hướng cao của α-Fe2O3 đã được tạo ra trên các tinh thể đơn α-Al2O3 định hướng (0001) bằng phương pháp lắng đọng laser xung. Các màng này thể hiện sự chuyển đổi Morin rõ ràng trong phép đo từ tính phụ thuộc nhiệt độ, M(T).
Để hydro hóa α-Fe2O3, hiện tượng tràn xúc tác của hydro vào màng được thực hiện thông qua các cấu trúc nano bạch kim (Pt) được phún xạ. Các màng được ủ trong khí tạo thành (tỷ lệ H2/Ar là 5%/95%) ở nhiệt độ thấp (150–270 °C). Trong quá trình này, khí H2 phân ly thành các nguyên tử H phản ứng tại ranh giới ba pha khí-chất xúc tác-oxit, và proton cùng với electron đi vào màng. Các proton sau đó khuếch tán trong khối oxit và có xu hướng liên kết với các anion O để tạo thành OH−, trong khi các electron được thêm vào vỏ d của các cation Fe lân cận, gây ra sự giảm hóa trị cục bộ.
Đo từ tính của các mẫu pha tạp H cho thấy không có sự chuyển đổi Morin xuống đến nhiệt độ cực thấp. XLD của các mẫu hydro hóa ở nhiệt độ phòng và nhiệt độ thấp cho thấy các dấu hiệu lưỡng sắc Fe L2 tương tự, cho thấy màng giữ lại hướng trong mặt phẳng của vectơ Néel—L, ở nhiệt độ cực thấp. Do đó, một lượng hydro vừa phải ngăn chặn sự chuyển đổi Morin, tạo ra sự định hướng lại 90° của L từ trạng thái Néel sang trạng thái nghiêng ở mọi nhiệt độ T.
Hơn nữa, nồng độ H trong oxit có thể được điều chỉnh bằng cách chọn nhiệt độ tràn. Ở nhiệt độ tràn thấp (~150–180 °C), thay vì ngăn chặn hoàn toàn sự chuyển đổi Morin, chúng ta quan sát thấy sự giảm dần của nó so với đối tác không pha tạp, (T_{{mathrm{M}}_0}). Cuối cùng, trên giá trị nhiệt độ tràn ngưỡng ~200 °C, sự chuyển đổi Morin đã bị triệt tiêu hoàn toàn.
Điều thú vị là, các tác động của việc tràn H có thể được đảo ngược bằng cách ủ các mẫu pha tạp H trong môi trường 100% Ar hoặc O2, giúp khử hydro các màng và chuyển đổi dị hướng từ tính trở lại bằng cách khôi phục đáng kể sự chuyển đổi ban đầu. Đặc biệt, các mẫu α-Fe2O3 pha tạp H được ủ trong môi trường 100% Ar cũng phục hồi sự chuyển đổi Morin, mạnh mẽ cho thấy rằng vai trò của các vị trí trống O là tối thiểu, và các hiệu ứng quan sát được chủ yếu xuất hiện từ việc kết hợp và loại bỏ H.
Để hiểu rõ hơn về hiệu ứng của pha tạp H, cấu trúc cận cạnh hấp thụ tia X (XANES) đã được thực hiện ở chế độ huỳnh quang nhạy cảm với khối ở cạnh Fe K. Một sự dịch chuyển hóa học có hệ thống của cạnh Fe K và vai đến năng lượng liên kết thấp hơn là rõ ràng trong phổ được chuẩn hóa và đạo hàm của nó, của các mẫu pha tạp H so với các đối tác không pha tạp. Điều này cho thấy rằng việc hydro hóa dẫn đến sự bơm electron tại các vị trí cation Fe3+, mà không gây ra những thay đổi lớn trung bình trong khung liên kết phân tử Fe–O.
Để hiểu nguồn gốc của sự chuyển điện tích này, các tính toán lý thuyết chức năng mật độ (DFT) về sự hình thành khuyết tật và sự chuyển điện tích trong một siêu ô 2 × 2 × 1 (lục giác) của α-Fe2O3 chứa các loại khuyết tật điểm khác nhau (H xen kẽ—Hi; H thay thế chiếm vị trí trống O—HO; hoặc vị trí trống O—VO) đã được thực hiện. Kết quả cho thấy rằng các chất pha tạp H thích trở thành chất xen kẽ, với năng lượng hình thành của Hi thấp hơn đáng kể so với HO/VO trong tất cả các chế độ pha tạp điện tích.
Để hiểu sự thay đổi quan sát được về dị hướng và sự chuyển đổi Morin, một mô hình hiện tượng luận mô tả sự tiến hóa của chúng như một hàm của nhiệt độ và pha tạp H đã được xây dựng. Dựa trên các kết quả thực nghiệm và tính toán DFT, mô hình bao gồm một ma trận các cation Fe3+ (trong các mạng con từ tính ({mathbf{M}}_{1,2})) xen kẽ với các cation Fe2+ phân bố thưa thớt, tỷ lệ với nồng độ H.
Cuối cùng, bằng chứng cho thấy rằng sự dị hướng từ tính ở nhiệt độ phòng có thể kiểm soát và đảo ngược được thông qua pha tạp H, điều này rất quan trọng đối với các ứng dụng tiềm năng. Kiểm soát thuận nghịch các tính chất phản sắt từ lên đến nhiệt độ phòng trong màng mỏng epitaxial của α-Fe2O3 và α-Fe1.97Rh0.03O3 bằng pha tạp H đã được chứng minh. Việc hydro hóa dẫn đến sự bơm electron, ảnh hưởng mạnh mẽ đến sự cân bằng tinh tế giữa các số hạng lưỡng cực từ và dị hướng ion đơn lẻ.
Tóm lại, một lượng nhỏ hydro có thể thay đổi đáng kể sự chuyển đổi Morin và do đó là hướng vectơ Néel. Mặc dù phương pháp tràn kiểm soát ion được trình bày ở đây là một quá trình khuếch tán, hạn chế việc triển khai thiết bị trực tiếp, nhưng nó đóng vai trò là bằng chứng khoa học về nguyên tắc mở ra nhiều con đường để khám phá trong tương lai.
