Fe、Co、Ni及其氧化物的电子磁圆二色性研究

Electron magnetic circular dichroism (EMCD) is a new research method for magnetism based on the principle of electron energy loss spectrum (EELS). With this technique, the magnetism of materials can be studied at the micro and nano scales as well as atomic and sub-atomic single spin scales, and much information about the properties and behaviour of extra-nuclear electrons can be obtained simultaneously. In the proposed project the main magnetic metals Fe, Co, Ni and their oxides are selected for EMCD investigation. All possible methods to utilise EMCD in both real and reciprocal space will be tried and compared for optimization, and the realization of EMCD on an atomic scale will be explored. With these results the magnetic properties of these materials shall be explained quantitatively on different scales. First-principle calculations will be adopted to explain the EELS spectra, EMCD results and the magnetic properties. Image simulation and quantum deduction will be applied to explain and verify the validity of EMCD on an atomic scale. With this project we will not only master EMCD experimentally and theoretically but will also advance the field with resolving such problems as no EMCD signal being observed for Ni, the strength of the EMCD signal in general, and EMCD on the atomic scale. This will help us to open up the whole research area of magnetism of materials on a larger scale.

电子磁圆二色性（EMCD）是一种诞生不久的基于电子能量损失谱（EELS）的磁性研究方法。它可以在微米、纳米、原子甚至单个自旋尺度上进行磁性研究并获得大量核外电子的信息。本项目拟通过对Fe、Co、Ni及其氧化物的电子磁圆二色性（EMCD）研究，系统、全面地掌握EMCD在实空间和倒易空间中实现的各种方法及多种谱采集方法，优化实验参数，进而探索将EMCD技术延伸至原子尺度的方法，并对原子尺度材料磁性给出定量解释。第一原理将被用来解释实验过程中采集的能量损失谱（EELS）、EMCD结果以及计算材料的性质。图像模拟和量子理论推导将会解释和验证原子尺度EMCD的可用性和有效性。通过本项目的实施，不仅要从理论和实验上全面掌握EMCD，还要在困扰EMCD技术的信号偏弱、Ni样品观察不到EMCD信号以及原子尺度EMCD的实验方法和理论解释上取得突破，进而在材料微尺度磁性研究上有所突破。

电子磁圆二色性（EMCD）是利用电子能量损失谱（EELS）研究材料磁性的方法，它可以在原子尺度对材料磁性进行研究。本项目通过对基本磁性材料Fe、Co、Ni及其氧化物的磁圆二色性的研究，掌握了选区电子衍射、会聚束、扫描透射等模式下磁圆二色性的获得方式及条件，并对实验条件可能对实验结果造成的影响进行了分析，找到了最优化的实验参数。在对基本磁性材料二色性研究的基础上，对与材料二色性研究密切相关的诸如Ni透射电镜样品制备中如何避免氧化以及氧化可能会对磁圆二色性测量结果带来的影响进行了讨论。对于原子尺度磁圆二色性的初步探讨表明，扫描透射模式下的磁圆二色性测量是可行的。对磁性材料的磁圆二色性研究表明，基于电子能量损失谱的磁圆二色性研究是一条全新的并且可行的磁性研究方法。