应用透射电子在原子尺度上测量材料磁圆二色性谱

Magnetic circular dichroism (MCD) spectra of magnetic materials represent the intrinsic elemental specific magnetic properties, by which the spin and orbital magnetic moments can be quantitatively achieved. The best spatial resolution of X-ray magnetic circular dichroism in the worldwide synchrotron radiation facility can approximately reach 10nm. Xiaoyan Zhong and Jing Zhu et al proposed the site-specific electron magnetic circular dichroism (EMCD) method and determined the quantitative magnetic structure information in nickel ferrite at a nanometer scale in 2013, which is the solid groundwork for further improving the spatial resolution of the EMCD method. In this proposal the experimental method for EMCD detection at an atomic scale in the aberration-corrected transmission electron microscope will be developed, which is for the first time in the worldwide to push the spatial resolution of MCD measurement to atomic scale. Along the direction perpendicular to the interface of magnetic thin films, the MCD spectra will be achieved atomic plane by atomic plane, which enables us to further understand how magnetic properties of different atomic planes change with the distance to the interface at an atomic scale. In this project the experimental method for EMCD detection from the sample area within 1nm in diameter will be developed also, which enables us to measure the EMCD spectra at local anti-phase boundaries of magnetic materials at the unit cell scale. In the meantime the structural information including crystallographic structure, electronic structure, chemical composition in the very same sample area can be obtained by using aberration-corrected high resolution analytic electron microscopy, which enables us to directly investigate the relationships between materials microstructure and magnetic property at an atomic scale.

磁性材料的磁圆二色性谱反映不同元素的本征磁性，经定量计算可获得自旋磁矩与轨道磁矩。国际上应用同步辐射X射线磁圆二色谱技术所能达到的最佳空间分辨率约为十纳米。2013年钟虓朱静等人提出占位分辨电子磁圆二色性谱方法，在纳米尺度获得镍铁氧的定量磁结构信息，为本项目中进一步提高磁圆二色性谱测量的空间分辨率奠定了基础。本项目将在像差校正透射电子显微镜中发展原子尺度测量材料磁圆二色性谱的实验方法，目前国际上尚无先例。沿垂直于磁性薄膜界面的方向上逐层原子面地探测材料磁圆二色性，在原子尺度理解材料磁性距离界面远近不同时的变化规律。本项目还将发展在直径为1nm的微区上测量材料磁圆二色性谱的实验方法，在晶胞尺度上测量磁性材料反向畴界处的局域磁圆二色性谱。同时结合像差校正高分辨分析电子显微学手段获得该界面或缺陷区域的晶体结构、电子结构、化学组分信息，使得我们可以在原子尺度上直观的理解材料微结构与磁性能的关系。

在Schattschneider等人所提出的电子能量损失磁手性二色谱（EMCD）技术与本研究组所发展的占位分辨定量EMCD的研究基础上，本课题进一步发展了高空间分辨EMCD技术，实现原子面分辨与纳米分辨，完成了项目既定目标并将其应用于复杂磁性氧化物的微观磁表征中。本项目的主要研究成果如下：（1）结合色差球差校正与空间分辨电子磁圆二色谱技术，以双钙钛矿结构的Sr2FeMoO6为模型材料，突破性地实现逐层原子面的自旋构型成像，定量测量原子尺度的轨道自旋磁矩比，在国际上成功地将自旋表征磁圆二色谱的分辨率从微米纳米尺度推进到了原子尺度4 Å，实现了在原子尺度下对材料的原子构型，化学成分与自旋排布的协同表征，是目前国际上色差校正电子显微学应用的最高水平。（2）突破传统电子磁圆二色谱所要求的单晶材料限制，设计了可用于非晶材料的电子磁圆二色谱方法，成功获取了非晶氧化铁中对应的Fe元素L吸收峰的非晶EMCD信号，获取非晶材料的轨道自旋磁矩比。（3）提出了在特定的衍射条件下实现了纳米尺度的EMCD原位测定。应用所提出的方法，研究了经典的有序双钙钛矿结构Sr2[Fe]B1[Re]B2O6中有序Sr2[Fe]B1[Fe1/5Re4/5]B2O6相及无序Sr[Fe4/5Re1/5]O3相的阳离子占位及比例关系，更确立了有序Sr2[Fe]B1[Fe1/5Re4/5]B2O6相中B2位有Fe原子占据Re原子的现象，确立了化学偏聚、阳离子有序度及磁学性能的直接证据。（4）本项目将透射电镜的元素分辨能力和高空间分辨能力的EMCD技术结合，揭示了一种新型反向畴界—尖晶石中以岩盐结构为中间层的(1/4)a[011]反向畴界的原子结构，实现了缺陷结构的局域磁表征。