Hematite (α-Fe2O3) là một oxit sắt có cấu trúc corundum trigonal, với các mạng con phản song song (có từ độ M1,2) xếp xen kẽ dọc theo trục c lục giác. Ở nhiệt độ phòng, các spin Fe nằm trong mặt đáy với vectơ Néel, ({mathbf{L}} equiv {mathbf{M}}_1 – {mathbf{M}}_2), vuông góc với trục c. Sự có mặt của DMI khối gây ra sự nghiêng của các mạng con trong mặt đáy, dẫn đến sự nghiêng yếu vĩ mô trong mặt phẳng. Khi làm lạnh, α-Fe2O3 trải qua quá trình chuyển đổi Morin, trong đó các mạng con định hướng lại theo trục c — một trạng thái Néel nơi mômen nghiêng lý tưởng biến mất theo đối xứng. Sự chuyển đổi Morin là kết quả của sự giao nhau được kiểm soát nhiệt độ tinh tế giữa các đóng góp dị hướng từ lưỡng cực từ và dị hướng từ ion đơn.
Định Hướng Lại Spin Đảo Ngược Bằng Cách Pha Tạp H
Các màng mỏng epitaxial định hướng cao của α-Fe2O3 đã được phát triển 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 từ kế phụ thuộc nhiệt độ, M(T), với sự xuất hiện/biến mất trễ của mômen nghiêng trong mặt phẳng. (T_{{mathrm{M}}_0}), được định nghĩa là nhiệt độ chuyển đổi Morin của mẫu như mọc trước khi pha tạp H, thấp hơn giá trị khối (T_{mathrm{M}_{mathrm{bulk}}}) do ứng suất chất nền. Để xác nhận nguồn gốc từ tính của quá trình chuyển đổi, chúng tôi đã thực hiện quang phổ lưỡng sắc tuyến tính tia X (XLD) tại cạnh Fe L2, đây là một phương pháp cụ thể theo phần tử tốt để xác định hướng của từ hóa mạng con trong α-Fe2O3. Lưỡng sắc đảo ngược dấu trên (T_{{mathrm{M}}_0}), do sự định hướng lại 90° của L sang mặt đáy từ trục c. Chúng tôi cũng đã thực hiện quang phổ lưỡng sắc tròn từ tia X (XMCD) nhưng không thấy tín hiệu nào từ mômen nghiêng yếu. Từ kế phụ thuộc trường, M(H), cho thấy sự tiến hóa trễ do sự sắp xếp lại trong mặt phẳng của các miền phản sắt từ được điều khiển bởi sự ghép từ trường với mômen nghiêng, tại (T ,> ,T_{{mathrm{M}}_0}). Các kết quả này chứng minh rằng các tín hiệu từ hóa trong các mẫu của chúng tôi là nội tại và không phát sinh từ bất kỳ pha sắt hoặc feri oxit sắt giả nào.
Để đạt được quá trình hydro hóa α-Fe2O3, sự tràn xúc tác của hydro vào các màng của chúng tôi đã được thực hiện thông qua các cấu trúc nano platin phun (hình 1e inset). 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 các proton và electron cùng nhau đi vào màng. Sau đó, các proton 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 các vỏ d của các cation Fe lân cận, gây ra sự khử hóa trị cục bộ. Để xác nhận rằng hydro được kết hợp vào các màng của chúng tôi, phân tích phát hiện giật lùi đàn hồi (ERDA) đã được sử dụng. Nồng độ hydro trong các màng pha tạp H được tìm thấy nằm trong khoảng ~1,57 ± 0,14 at.% đến 2,47 ± 0,14 at.% tùy thuộc vào nhiệt độ tràn H. Ngược lại, quang phổ tán xạ ngược Rutherford cộng hưởng oxy (RRBS) được thực hiện song song với ERDA, có độ nhạy cộng hưởng với hàm lượng O của màng, cho thấy rằng thành phần Fe–O vẫn tương tự sau khi kết hợp H. Các nghiên cứu cấu trúc được thực hiện bằng nhiễu xạ tia X độ phân giải cao (HR-XRD), lập bản đồ không gian đối ứng (RSM) và hiển vi điện tử truyền qua quét trường tối góc cao (HAADF-STEM) cho thấy rằng phương pháp xúc tác của chúng tôi hơi mở rộng các hằng số mạng, đồng thời để lại sự kết hợp màng và cấu trúc tinh thể không thay đổi hiệu quả. Đặc biệt, sự vắng mặt của các đặc điểm cộng hưởng trong Fe L XMCD hoặc các tín hiệu siêu thuận từ hoặc feri từ giả cho thấy thêm rằng sự có mặt của magnetit trong các mẫu pha tạp H là không đáng kể.
Từ kế của các mẫu pha tạp H được điều chế bằng cách tràn ở 250 °C cho thấy không có sự chuyển đổi Morin xuống đến nhiệt độ đông lạnh. XLD của các mẫu hydro hóa ở nhiệt độ phòng và nhiệt độ thấp thể hiện các dấu hiệu lưỡng sắc Fe L2 tương tự, cho thấy rằng màng giữ lại hướng trong mặt phẳng của vectơ Néel — L, ở nhiệt độ đông lạnh. Do đó, một lượng hydro vừa phải ức chế quá trình chuyển đổi Morin, tạo ra sự định hướng lại 90° của L từ trạng thái Néel sang trạng thái nghiêng ở tất cả (T ,. Chúng tôi thấy rằng sự biến đổi do hydro hóa gây ra khá ổn định, với việc giữ lại trạng thái nghiêng trong ít nhất một năm.
Hơn nữa, nồng độ H trong oxit có thể được sửa đổi bằng cách chọn nhiệt độ tràn. Ở nhiệt độ tràn thấp (~150–180 °C), thay vì ức chế hoàn toàn quá trình chuyển đổi Morin, chúng tôi quan sát thấy sự giảm dần của nó so với đối tác không pha tạp, (T_{{mathrm{M}}_0}). Nhiệt độ Morin đã sửa đổi này sau khi tràn H được gọi là (T_{mathrm{M}}), khác với (T_{{mathrm{M}}_0}), và (T_{mathrm{M}}/T_{{mathrm{M}}_0}) được hiển thị trong hình 2a (hoành độ trên). Ở nhiệt độ tràn trung gian, cả (T_{mathrm{M}}) và chiều cao chuyển đổi của mômen nghiêng đều giảm, có lẽ do sự có mặt của các phần trong mặt phẳng còn sót lại nhỏ ở nhiệt độ thấp, như đã biết rõ trong tài liệu pha tạp α-Fe2O3. Cuối cùng, trên giá trị nhiệt độ tràn ngưỡng là ~200 °C, quá trình chuyển đổi Morin và do đó (T_{mathrm{M}}/T_{{mathrm{M}}_0}) đã bị ức chế hoàn toàn. Hơn nữa, các đường cong M(H) của các màng pha tạp H cho thấy sự tiến hóa đa trễ trong mặt phẳng của các miền phản sắt từ có thể là do sự tăng cường của DMI cục bộ sau khi kết hợp H.
Điều thú vị là, các tác động của sự tràn H có thể được đảo ngược bằng cách ủ các mẫu pha tạp H trong bầu không khí Ar hoặc O2 100%, điều này giúp khử hydro các màng và chuyển đổi dị hướng từ tính trở lại bằng cách phục hồi đáng kể quá trình chuyển đổi ban đầu. Đặc biệt, các mẫu α-Fe2O3 pha tạp H được ủ trong bầu không khí Ar 100% cũng phục hồi quá trình chuyển đổi Morin, cho thấy mạnh mẽ rằng vai trò của các vị trí trống O là tối thiểu và các tác động quan sát được chủ yếu xuất hiện từ việc kết hợp và loại bỏ H. Cuối cùng, các thí nghiệm đối chứng của các mẫu α-Fe2O3 không pha tạp được ủ trong bầu không khí Ar 100% (không có H2) có ít ảnh hưởng đến quá trình chuyển đổi Morin, chứng minh rằng việc ủ α-Fe2O3 trong bầu không khí giàu Ar và do đó nghèo oxy, không tái tạo được những thay đổi dị hướng do pha tạp H gây ra.
Nhìn chung, những kết quả này cho thấy rằng hướng vectơ Néel và dị hướng từ tính có thể được chuyển đổi đảo ngược bằng cách kết hợp/loại bỏ một lượng nhỏ hydro vào mạng chủ, mà không gây ra những thay đổi cấu trúc đáng kể hoặc các chuyển đổi pha có hại. Tính năng này rất quan trọng để có khả năng khai thác các đường dẫn ion trong các ứng dụng spintronic năng lượng thấp.
