發(fā)布時(shí)間：2020-05-05 09:57

【摘要】：納米磁性斯格明子(Skyrmion)因其特殊的拓?fù)渥孕Y(jié)構(gòu)以及超低電流密度驅(qū)動(dòng)等特性,有望突破傳統(tǒng)磁性材料中摩爾定律以及超順磁極限等技術(shù)和物理的挑戰(zhàn),被認(rèn)為是未來高密度、高速度、低能耗磁信息存儲(chǔ)單元的理想候選對(duì)象,成為磁學(xué)領(lǐng)域新興研究熱點(diǎn)之一。該論文分別在中心對(duì)稱MnNiGa、La_(1-x)Sr_xMnO_3以及非中心對(duì)稱FeGe材料中,研究了磁性斯格明子的生成以及原位外場(chǎng)調(diào)控(磁場(chǎng)、電流、溫度等),并在稀土化合物中進(jìn)行了斯格明子的探索,主要成果如下:1)中心對(duì)稱MnNiGa材料中磁性斯格明子的研究:i)利用洛倫茲透射電鏡首次在MnNiGa材料中觀察發(fā)現(xiàn)了斯格明子的存在,其磁結(jié)構(gòu)具有相反手性的兩個(gè)斯格明子特征,因此為拓?fù)鋽?shù)為2的磁性雙斯格明子;ii)通過場(chǎng)冷調(diào)控,實(shí)現(xiàn)了極寬溫區(qū)穩(wěn)定(16-338 K)、零磁場(chǎng)且高密度的斯格明子晶格,基于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象建立了自由能模型,計(jì)算出斯格明子的能量勢(shì)壘隨溫度升高而急劇減小,提出了略高于T_C時(shí)的短程有序鐵磁團(tuán)簇的小磁場(chǎng)調(diào)控、拓?fù)浔Ｗo(hù)特性以及場(chǎng)冷過程中顯著升高的能量勢(shì)壘是高密度斯格明子零場(chǎng)穩(wěn)定的物理機(jī)制;iii)發(fā)現(xiàn)通過電流的自旋轉(zhuǎn)移矩效應(yīng)可以調(diào)控斯格明子密度,且預(yù)先施加的電流可抑制降磁場(chǎng)過程中鐵磁態(tài)向條紋疇的轉(zhuǎn)變,優(yōu)先形成斯格明子剩余磁疇?wèi)B(tài);iiii)探索了磁性雙斯格明子構(gòu)型的微觀起源,研究了晶界限制、面內(nèi)磁場(chǎng)、樣品厚度等多種因素對(duì)斯格明子生成和穩(wěn)定性的影響。2)中心對(duì)稱La_(1-x)Sr_xMnO_3材料中磁性斯格明子的研究:隨著溫度的降低,磁晶各向異性發(fā)生改變,觀察到180°面內(nèi)磁疇向螺旋磁結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變,并自發(fā)形成了尺寸約100 nm的磁泡,可零磁場(chǎng)穩(wěn)定;研究了外加垂直磁場(chǎng)下磁泡布洛赫線的動(dòng)態(tài)行為,觀察到拓?fù)鋽?shù)為0的磁泡轉(zhuǎn)變?yōu)橥負(fù)鋽?shù)為1的斯格明子。3)非中心對(duì)稱FeGe手性材料中磁性斯格明子的研究:通過場(chǎng)冷調(diào)控,拓寬了斯格明子的穩(wěn)定溫區(qū),獲得了零磁場(chǎng)且高密度的斯格明子晶格;探究了零場(chǎng)下亞穩(wěn)態(tài)斯格明子隨溫度變化的弛豫動(dòng)態(tài)行為,定量分析了弛豫時(shí)間與溫度的依賴關(guān)系,發(fā)現(xiàn)近似符合Arrhenius定律,并推算出了斯格明子的能量勢(shì)壘及其壽命。4)稀土化合物中磁性斯格明子的探索:研究了TbGe、GdGe與GdSi材料的低溫磁結(jié)構(gòu)相變,發(fā)現(xiàn)低溫下可自發(fā)形成類斯格明子納米磁疇;提出GdGe與GdSi材料中納米小疇結(jié)構(gòu)的形成與邊緣非晶層導(dǎo)致磁各向異性的減弱有關(guān)。
【圖文】：

第 1 章 緒論1 斯格明子概述（skyrmion）近年來，，隨著利用外場(chǎng)驅(qū)動(dòng)電子自旋來調(diào)控材料電導(dǎo)性質(zhì)技術(shù)的發(fā)展，科興起了自旋電子學(xué)的研究熱潮。而拓?fù)浯判运垢衩髯拥牡碗娏黩?qū)動(dòng)行為使其旋電子學(xué)領(lǐng)域脫穎而出，有望作為新一代高密度、高速度、低能耗等自旋電件的信息載體，在未來信息磁存儲(chǔ)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，因此具有潛在的研究。磁性斯格明子逐漸成為自旋電子學(xué)領(lǐng)域的重要研究方向，其發(fā)展歷程需追磁性存儲(chǔ)器的發(fā)展。1988 年，德國物理學(xué)家 Peter Grünberg 和法國物理學(xué)

卡洛模擬結(jié)果一致，極大地促進(jìn)了斯格明子的進(jìn)一步探索（圖 1.2c）。2011 年Heinze 等人[22]利用自旋極化掃描電子顯微鏡在 Ir(111)/Fe 薄膜體系中也實(shí)空間證實(shí)了磁性斯格明子的穩(wěn)定存在。此后，磁學(xué)與物理等領(lǐng)域?qū)Υ判运垢衩髯舆M(jìn)行了廣泛研究，使得磁性斯格明子的衍生電磁場(chǎng)效應(yīng)以及電流驅(qū)動(dòng)等豐富的物理現(xiàn)象逐漸被認(rèn)識(shí)和理解。例如，Jonietz 等人[23]于 2010 年在 MnSi 中利用超低臨界電流（~106A m-2）驅(qū)動(dòng)斯格明子（圖 1.2b）；Schulz 等人[24]于 2012 年在 MnSi 中發(fā)現(xiàn)了斯格明子與電流相互作用衍生的拓?fù)浠魻栃?yīng)特性；Yu 等人[5]于 2012 年在FeGe 材料中實(shí)空間觀察到斯格明子的電流驅(qū)動(dòng)現(xiàn)象等（圖 1.2d）；2013 年，F(xiàn)e團(tuán)隊(duì)[25]在薄膜體系中發(fā)現(xiàn)磁性斯格明子可在室溫下完成讀寫功能以及電流驅(qū)動(dòng)操作；2015 年 Jiang 等人[7]在 Ta/CoFeB/TaOx薄膜體系，利用幾何限制形成的非均勻電流產(chǎn)生并驅(qū)動(dòng)磁性斯格明子。大量的研究工作不僅將斯格明子材料擴(kuò)展到多種材料體系[26] [29]，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了多種拓?fù)浯判詰B(tài)，例如反斯格明子[30]，雙斯
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O469

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本文編號(hào)：2649935