Структурная релаксация и образование доменов в анизотропно деформированных сверхрешетках La0.7Sr0.3MnO3/LaFeO3 на DyScO3(101)

Формирование магнетизма при мягких растяжках кристалла

Электроника будущего может опираться не только на электрический заряд, но и на крошечные компасные стрелки электронного спина. Для создания таких «спинтронных» устройств инженеры обращаются к антиферромагнетикам — материалам, в которых внутренние магнитные моменты взаимно компенсируются, поэтому отсутствует внешнее магнитное поле. В этой работе исследуется, как очень небольшая направленная деформация кристалла — называемая анизотропной деформацией — может использоваться для организации скрытых магнитных шаблонов в тщательно построенной оксидной структуре толщиной всего в несколько десятков миллиардных долей метра.

Почему скрытые магниты важны

Антиферромагнетики привлекательны для технологий, поскольку их взаимокомпенсирующие спины устраняют нежелательные магнитные помехи и могут переключаться очень быстро, обещая энергоэффективную и высокоскоростную память и логику. Цена этого — то, что их невидимую намагниченность трудно контролировать. Небольшие дефекты кристаллической структуры часто разбивают материал на множество мелких магнитных областей, или доменов, направленных по-разному. Авторы работы поставили задачу выяснить, как целенаправленно наложенная деформация в многослойном оксидном стеке может управлять как кристаллической структурой, так и этими неуловимыми антиферромагнитными доменами.

Создание дизайнерского стека оксидов

Команда вырастила сверхрешетку: четыре повторения двух различных оксидных слоев, LaFeO3 (антиферромагнетик) и La0.7Sr0.3MnO3 (ферромагнетик), на подложке из кристалла DyScO3. Эта подложка сжимает и тянет пленку по-разному вдоль двух направлений в плоскости: по одному направлению действует сильное растяжение, перпендикулярное направление лишь слегка сжато. С помощью высокоразрешающей рентгеновской дифракции авторы подтвердили, что стек обладает высокой упорядоченностью и что в среднем его межатомные расстояния близки к объемному LaFeO3. Это уже указывает на то, что слои LaFeO3 определяют способ, которым весь стек снимает наложенную деформацию.

Где и как деформация освобождается

Чтобы увидеть, как именно релаксирует деформация, команда объединила несколько методов электронного дифракционного анализа и микроскопии, позволяющих измерять локальные межатомные расстояния с нанометровой точностью. Они обнаружили, что вдоль направления сильного растяжения первый слой LaFeO3 остается тесно связанным с подложкой. Релаксация начинается уже в первом слое La0.7Sr0.3MnO3, выращенном сверху, где межатомные расстояния меняются скачкообразно. Выше этого уровня внутриплоскостные расстояния в обоих материалах устанавливаются близкими к объемному LaFeO3, что указывает на то, что ферромагнитные слои остаются частично деформированными, подстраиваясь под антиферромагнитные. В перпендикулярном, слабо напряженном направлении слои, однако, остаются когерентно связаны с подложкой, так что релаксация оказывается селективной и сильно направленной.

Доменные структуры, возникающие от шагов

Методы электронной микроскопии, чувствительные к тонким дифракционным особенностям, показали, что эта релаксация не приводит к очевидным кристаллическим дефектам типа дислокаций. Вместо этого она приводит к образованию хорошо определенных структурных доменов внутри слоев LaFeO3. Эти домены появляются лишь со второго билayer'а и далее и проходят вертикально через толщу пленки, их ширины соответствуют естественному рисунку ступенчатых террас на поверхности подложки. По сути, крошечные ступеньки на подложке действуют как зародыши, из которых бок о бок вырастают различные структурные вариантов LaFeO3, предоставляя мягкий путь для снятия деформации пленки без разрушения ее решетки.

От кристаллических узоров к магнитным узорам

Поскольку магнетизм в этих оксидах тесно связан с расположением атомов, команда исследовала, сопровождаются ли структурные домены магнитными. С помощью рентгеновского поглощения с круговой и линейной поляризацией они определяли направление и распределение спинов в обоих материалах. Слои La0.7Sr0.3MnO3 показали ожидаемую в плане ферромагнитную реакцию, хоть и несколько ослабленную у поверхности. Слои LaFeO3 продемонстрировали признаки множественных антиферромагнитных доменов, чьи оси спинов преимущественно лежат в плоскости пленки. Сравнивая с предыдущими работами, авторы приходят к выводу, что наличие структурных доменов совпадает с антиферромагнитным полидоменным состоянием, тогда как полностью деформированный LaFeO3 можно заставить перейти в однодоменную конфигурацию.

Что это значит для будущего спинтроники

Для неспециалиста главный вывод в том, что, выбрав подходящую подложку и последовательность укладки слоев, учёные могут запрограммировать, где и как тонкая пленка снимет внутреннее напряжение, а это, в свою очередь, определяет, как устроятся её скрытые магнитные области. В рассматриваемом случае сильная направленная деформация сначала релаксирует в одном слое, а затем индуцирует аккуратные вертикальные структурные домены в следующем, которые сопровождаются множественными антиферромагнитными доменами. Эта связь деформация–домены–магнетизм указывает на путь «записи» антиферромагнитных рисунков уже в процессе роста, предлагая новый элемент управления для спинтронных устройств будущего, где антиферромагнетики будут использоваться в качестве активных, управляемых компонентов, а не пассивной опорной среды.

Цитирование: Liu, Y., Dale, T.M., van der Minne, E. et al. Structural relaxation and domain formation in anisotropically strained La_0.7Sr_0.3MnO₃/LaFeO₃ superlattices on DyScO₃(101). Sci Rep 16, 5123 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35436-2

Ключевые слова: антферромагнитный спинтроникс, инженерия деформаций, оксидные сверхрешетки, структурные домены, магнетизм тонких пленок