应变自组装SrRuO3微管中的径向曲线磁性及其电子输运机制

《Advanced Science》：Strain-Assembled Crystalline SrRuO3 Microtube and Emergent Curvilinear Magnetism

本文报道了通过晶体SrRuO3/SrTiO3异质结的应变自组装技术，成功制备了具有径向曲线磁性的微管结构。研究揭示了自旋轨道耦合（SOC）诱导的强磁晶各向异性使磁矩沿径向连续分布，并通过宏观磁化测量与单管磁电阻测试证实了弯曲几何对自旋构型与电子散射的调控作用。该工作为三维曲面磁结构的设计及自旋电子学器件开发提供了新思路。

　　

1 引言

在传统平面磁结构中，海森堡交换作用主导的共线自旋排列是常见的磁有序形式。而非共线自旋纹理或曲线磁性（如磁畴壁、斯格明子等）在磁晶各向异性、Dzyaloshinskii–Moriya相互作用（DMI）等竞争作用下呈现新颖物理特性，成为高密度存储和自旋电子器件的研究热点。通过微纳加工技术构建的低维曲面结构可打破空间反演对称性，结合磁性材料的时间反演对称破缺，能够诱导出拓扑磁态等涌现现象。然而，现有研究多基于非晶或多晶材料，且磁易轴通常位于平面内，关于高质量晶体曲面结构中径向磁结构的探索仍较缺乏。

SrRuO₃（SRO）作为一种4d氧化物铁磁金属，因其强自旋轨道耦合（SOC）作用表现出显著的磁晶各向异性，其易轴沿正交晶系的b轴（对应钙钛矿结构的[110]_pc方向）。在SrTiO₃（STO）（110）衬底上外延生长的SRO薄膜具有面外易轴特性，通过释放应变匹配的异质结纳米膜，可形成滚折微管等三维结构。此类结构为研究曲面磁性中的自旋配置与电子输运机制提供了理想平台。

2 结果

2.1 晶体SRO微管的设计原理与制备

本研究采用脉冲激光沉积技术在STO（110）衬底上外延生长STO/SRO/SrCoO_2.5（SCO）异质结，其中SCO作为牺牲层。通过选择性刻蚀SCO层，STO/SRO双层膜在释放晶格失配应变（ε=0.77%）后自发卷曲形成微管。扫描透射电子显微镜（STEM）图像显示，微管具有原子级清晰的晶体界面，且卷曲方向受晶向调控：在STO（110）衬底上，因[-110]与[001]方向的非等效性，微管沿[001]方向均匀卷曲，形成直径约10μm的螺旋结构。微管直径可通过双层膜厚度调节，符合公式R=(t₁+t₂)/3ε。

2.2 SRO微管的磁化测量

磁性测量表明，平面外延薄膜的磁易轴垂直于膜面（沿[110]_pc），而微管阵列因径向对称性，在面外（OOP）与面内正交（orth-IP）方向呈现等效磁化行为。磁滞回线显示，微管在零场下的归一化剩磁为2/π，与径向磁矩分布模型预测一致。当外加磁场垂直于管轴时，磁矩随磁场增大逐渐倾斜至场方向，退场时恢复至径向易轴。相较于平面薄膜的矩形回线，微管的磁化变化更为平缓，且矫顽场略有增加，源于曲面应变对磁畴壁的钉扎效应。

2.3 卷曲微管的电子输运测量

单根微管的磁电阻测量揭示其与局部磁矩分布密切相关。电流沿[-110]_pc方向流动时，微管可视为一系列纵向磁畴条的并联。通过旋转平面薄膜样品测量各向异性磁电阻（AMR），发现电阻极值点对应磁矩平行于晶轴的方向。基于Stoner–Wohlfarth模型，拟合得到SRO的磁晶各向异性场H_A高达10.9T。微管的整体磁电阻可通过积分各纵向条带的贡献模拟，结果与实验数据吻合：低场下部分磁矩偏离晶轴导致电阻上升，高场下磁矩沿场方向排列使电阻降低。

3 讨论

对称圆形微管中，原子级曲率诱导的各向异性与DMI效应相互抵消，保持了磁矩的纯径向分布。通过结合磁化与输运测量，本研究明确了曲面几何中自旋-晶格耦合对电子散射的主导作用。微管结构的旋转对称性均化了晶向相关性，使其磁电阻行为区别于平面薄膜。

4 结论

本研究利用晶体异质结应变自组装技术，实现了具有径向曲线磁性的SRO微管制备。该结构通过强磁晶各向异性稳定径向磁矩分布，并展现出与局部自旋构型相关的磁电阻效应。工作为三维磁性微纳器件的设计及曲面自旋电子学机理研究提供了新途径。

5 方法

外延生长采用脉冲激光沉积技术，结构表征通过X射线衍射与STEM完成，磁性与电输运测量分别使用SQUID磁强计和四端法在2K低温下进行。微管电极通过光刻与离子束刻蚀制备，SCO牺牲层在酸性条件下选择性刻蚀以保持结构完整性。