Engineering Magnetic Anisotropy and Emergent Multidirectional Soft Ferromagnetism in Ultrathin Freestanding LaMnO3 Films

铁磁性 材料科学 凝聚态物理 各向异性 价(化学) 矫顽力 磁各向异性 纳米尺度 铁磁材料性能 纳米技术 磁化 磁场 光学 化学 量子力学 物理 有机化学
作者
Quanyong Lu,Zhiwei Liu,Qun Yang,Hui Cao,Purnima P. Balakrishnan,Qing Wang,Long Cheng,Yalin Lu,Jian‐Min Zuo,Hua Zhou,Patrick Quarterman,Shin Muramoto,Alexander J. Grutter,Hanghui Chen,Xiaofang Zhai
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:16 (5): 7580-7588 被引量:19
标识
DOI:10.1021/acsnano.1c11065
摘要

The combination of small coercive fields and weak magnetic anisotropy makes soft ferromagnetic films extremely useful for nanoscale devices that need to easily switch spin directions. However, soft ferromagnets are relatively rare, particularly in ultrathin films with thicknesses of a few nanometers or less. We have synthesized large-area, high-quality, ultrathin freestanding LaMnO3 films on Si and found unexpected soft ferromagnetism along both the in-plane and out-of-plane directions when the film thickness was reduced to 4 nm. We argue that the vanishing magnetic anisotropy between the two directions is a consequence of two coexisting magnetic easy axes in different atomic layers of the LaMnO3 film. Spectroscopy measurements reveal a change in Mn valence from 3+ in the film interior to approximately 2+ at the surfaces where considerable hydrogen infiltration occurs due to the water dissolving process. First-principles calculations show that protonation of LaMnO3 decreases the Mn valence and switches the magnetic easy axis from in-plane to out-of-plane as the Mn valence approaches 2+ from its 3+ bulk value. Our work demonstrates that ultrathin freestanding films can exhibit functional properties that are absent in homogeneous materials, concomitant with their convenient compatibility with Si-based devices.
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