復旦大學車仁超教授團隊經過多年對于透射電鏡系統的研究，自主研發了多種多物理場耦合的微觀樣品透射電鏡測試平臺。通過原位寬溫區升降溫、原位加直流/脈沖電、原位加磁場等多種原位測試方法，對材料的微觀電學、磁學特性例如局域電場、微觀雜散場、應變分布等進行原位觀察及解析，實現對磁性材料、能源材料、半導體材料及電磁功能材料的指導性設計。特別開發了高分辨電子全息等表征技術，解決了磁性材料磁疇結構及雜散場分布解析難的問題，并動態分析材料微區極化電場分布，從微區電磁場角度提出材料設計及性能優化新機制，進一步指導磁性材料、能源材料、電磁功能材料等性能提升。依托于上述平臺，近日，復旦大學車仁超教授及呂華良研究員在Advanced Materials期刊發表了名為Visualizing Nanoscale Interlayer Magnetic Interactions and Unconventional Low-Frequency Behaviors in Ferromagnetic Multi-shelled Structures的工作，論文的第一作者為陳冠宇博士。通過精確調控二維原子層間范德華力，可以精準控制電子聲子耦合，從而導致獨特的量子特性。然而，由于范德華力強度弱、應用范圍小，將這一技術應用于三維材料充滿挑戰。因此，研究新結構和不同層間力對于克服這些限制、發現材料新的物理特性至關重要。在這項工作中，車仁超團隊首先，模擬了不同形狀、結構和層間距的FeCo合金的高頻磁譜，并從中篩選出在2-6 GHz頻率范圍內具備最優異電磁特性的FeCo合金。隨后，基于模擬結果，利用等溫擴散方法，開發了一種具有可控殼層數的多殼層FeCo合金材料，并利用原位氣氛透射電鏡，解析了殼層的形成機制。利用電子全息技術分析層間雜散場分布及強度，系統解析這些殼層之間的磁相互作用，微調每個殼層的磁性質。這種方法揭示了多殼層鐵磁材料中獨特的磁性特征，包括磁疇形態調制和有效場增強。同時，通過觀察并分析殼層之間的納米尺度磁相互作用，為改變殼層的磁特性提供了啟發，增強了對鐵磁材料磁特性的理解和調控。多殼層鐵磁材料獨特的磁性相互作用顯著提升了5G無線設備使用的低頻電磁吸收能力，比沒有多層結構的鐵磁材料提升數倍，其在2.2 mm的厚度下在2-6 GHz頻率范圍內有效吸波帶寬達到1.6 GHz，最強吸收達到-42.1 dB。該成果展示出利用層間磁相互作用，對磁性材料進行磁特性調制的令人興奮的創新前景，有望實現高低頻響應性鐵磁性材料的精準設計和可控制備。
圖1 殼層間磁相互作用示意圖
圖2 對于不同形貌的鐵磁性材料的微磁學模擬
圖3 殼層間磁相互作用及雜散場耦合的顯微學表征與微磁學模擬車仁超，復旦大學教授，博士生導師（材料物理與化學），2017年國家杰出青年基金獲得者（金屬材料的顯微結構與吸波性能），研究領域包括磁性物理、原位電子顯微學、微波吸收材料、能源材料微觀機制、半導體超晶格中遠紅外激光器與探測器等，著重于器件材料的顯微結構與性能的構效關系，共發表460多篇SCI論文，含通訊/第一作者350余篇，他引2萬多次，含48篇ESI高被引論文，H指數86。第一作者單篇最高他引1800多次，授權（申請）國家發明專利38項，通訊/第一作者論文含1篇Nature、5篇Nat. Commun.、9篇Adv. Mater.、1篇PNAS、9篇Adv. Energy Mater.、35篇Adv. Funct. Mater. 、9篇ACS Nano等。先后主持3項科技部重點研發項目課題、10項國家自然基金項目（重點、2項儀器重大、杰青等）。2020年獲上海市自然科學一等獎（排名第1），2018年獲教育部自然科學二等獎（排名第1）。入選2019年上海市優秀學科帶頭人、2013年教育部新世紀優秀人才、上海市曙光學者和浦江學者計劃。獲得2008年Thomson Reuters“中國卓越論文研究獎”，2021-2023年連續三年獲得科睿唯安全球“高被引學者”。中國電子顯微鏡學會常務理事、中國晶體學會常務理事、中國超材料學會常務理事等。 呂華良，復旦大學光電研究院研究員，上海市浦江人才、上海市海外高層次人才、2021~2023年度科睿唯安全球“高被引學者”稱號。主要從事電磁功能材料及器件方面研究，在Nat. Commun.、Prog. Mater. Sci.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.等期刊發表學術論文70余篇，累計他引9000余次，其中ESI高被引/熱點論文共27篇；此外，榮獲2023年教育部自然科學二等獎、2022年中國顆粒學會自然科學二等獎、2022-2023年度Nano-Micro Lett.編輯部“ESI TOP ARTICLE AWARD”。擔任 Adv. Funct. Mater.期刊客座編輯，入選Nano-Micro Lett.與Adv. Power. Mater.期刊青年編委。https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202313411DOI: 10.1002/adma.202313411
