在磁性材料中,磁疇壁、磁化渦旋、磁性斯格明子等拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)具有獨(dú)特的力、電、磁、熱多場(chǎng)耦合特性,使得其在未來新型自旋電子器件中有著廣泛的應(yīng)用前景。本文針對(duì)拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)的力電磁多場(chǎng)耦合特征,基于Landau相變理論建立了包含溫度效應(yīng)、自旋轉(zhuǎn)移矩和自旋軌道矩效應(yīng)的實(shí)空間下電磁材料相場(chǎng)模型,并提出了非線性多場(chǎng)耦合有限元法求解相場(chǎng)模型的控制方程,使得該方法可以適用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)和任意邊界條件的電磁材料,因此能夠更有效地模擬低維鐵磁材料和多鐵異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)的演化。采用所建立的模型和提出的計(jì)算方法,本文研究了以下拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)的力電磁多場(chǎng)耦合特性。首先,本文研究了鐵磁納米線中磁化渦旋的力學(xué)調(diào)控。相場(chǎng)模擬發(fā)現(xiàn),當(dāng)鐵磁納米線樣品生長(zhǎng)在基底上時(shí),由于基底與樣品之間錯(cuò)配應(yīng)變松弛的影響,錯(cuò)配應(yīng)變的分布會(huì)隨著樣品尺寸與形狀而改變。我們模擬得到了不同尺寸的鐵磁樣品在不同應(yīng)變分布下的磁疇分布,得出鐵磁納米線中磁化渦旋穩(wěn)定存在的應(yīng)變分布區(qū)域,并且與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合一致。其次,本文還研究了多鐵異質(zhì)結(jié)構(gòu)中斯格明子的力電磁調(diào)控。通過相場(chǎng)模擬,設(shè)計(jì)了拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)能夠穩(wěn)定存在的鐵電/鐵磁復(fù)合材料異質(zhì)結(jié)構(gòu)。在鐵電/鐵磁異質(zhì)結(jié)構(gòu)中,由于電... 

【文章來源】：浙江大學(xué)浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

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【學(xué)位級(jí)別】：碩士

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鐵磁材料中的斯格明子示意圖[11]

浙江大學(xué)碩士論文緒論4出信息。圖1.3（a）基于磁疇壁的存儲(chǔ)器[5]（b）基于磁疇壁的邏輯器件與存儲(chǔ)器[20]除了磁疇壁以外，磁化渦旋也是鐵磁材料中常見的典型拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)。尤其在鐵磁納米點(diǎn)中，由于幾何和邊界的約束，在海森伯交換作用能與退磁場(chǎng)能的共同作用下，磁化渦旋作為基態(tài)穩(wěn)定地存在于鐵磁材料之中。Wang[26]等人運(yùn)用相場(chǎng)模型理論證明了扭矩可以調(diào)控磁化渦旋的旋轉(zhuǎn)方向以及渦核中心的方向。如圖1.4所示，在鐵磁納米點(diǎn)上施加逆時(shí)針扭矩時(shí)，納米點(diǎn)內(nèi)磁化渦旋也朝著逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，渦核中心朝上。而施加順時(shí)針扭矩時(shí)，磁化渦旋也朝著順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，渦核中心則朝下。這為力學(xué)調(diào)控磁化渦旋的方向提供理論依據(jù)。Ju[27]等人在實(shí)驗(yàn)中，利用局部磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了納米點(diǎn)中磁化渦旋的翻轉(zhuǎn)。他們通過原子力顯微鏡的探針給鐵磁納米點(diǎn)的中心施加一個(gè)循環(huán)的局部磁常在這個(gè)局部磁場(chǎng)的作用下，納米點(diǎn)中的磁化渦旋的旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生了反向。這在實(shí)驗(yàn)上證明了磁化渦旋的磁學(xué)翻轉(zhuǎn)行為。如上所述，磁化渦旋的具有不同的旋轉(zhuǎn)方向，其渦核也有不同的朝向。使得磁化渦旋也具有攜帶信息的能力。這為磁化渦旋在自旋電子器件中的應(yīng)用也奠定了基矗Bohlens[21]等人就基于磁化渦旋設(shè)計(jì)了一種隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（RAM）。他們將多個(gè)鐵磁納米點(diǎn)并聯(lián)起來。利用交變電流控制單個(gè)納米點(diǎn)中渦旋的旋轉(zhuǎn)方向。利用不同的渦旋旋轉(zhuǎn)方向表示二進(jìn)制存儲(chǔ)中的“0”和“1”。他們證明了這

浙江大學(xué)碩士論文緒論5種器件夠在室溫下穩(wěn)定工作。這為磁化渦旋在隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的應(yīng)用提供了思路。隨后，Yu[28]等人在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了一種二乘二的可控磁化渦旋結(jié)構(gòu)。如圖1.5所示，該結(jié)構(gòu)可以通過面內(nèi)兩個(gè)方向的電流脈沖相互配合從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)內(nèi)部磁化渦旋的渦核的運(yùn)動(dòng)與翻轉(zhuǎn)。這一性質(zhì)有望應(yīng)用于磁存儲(chǔ)器中。圖1.4扭矩翻轉(zhuǎn)磁化渦旋[26]圖1.5基于磁化渦旋的磁存儲(chǔ)器[28]磁性斯格明子也同樣是近年來備受關(guān)注的一種拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)。磁性斯格明子是鐵磁材料中一個(gè)局部的非共線磁矩分布（圖1.2）。相較于磁化渦旋，斯格明子的形成主要?dú)w因于DM相互作用。Dzyaloshinskii[3]和Moriya[4]發(fā)現(xiàn)，例如FeGe，MnSi，Cu2OSeO3等B20晶體因反演非對(duì)稱而具有手性，被稱為手性磁體。在手性磁體中，電子的自旋軌道散射作用會(huì)使磁體中產(chǎn)生手性的螺旋磁矩分布。他們將這種現(xiàn)象用一種非共線的自旋相互作用來描述，并稱之為DM相互作用。從此以后，人們認(rèn)識(shí)到，相鄰電子自旋之間的作用除了共線的海森伯交換作用外，還具有非共線的DM相互作用。Rler[10]等人理論預(yù)測(cè)了在具有DM相互作用的手性磁體中斯格明子的存在。之后，Yu[9]等人在實(shí)驗(yàn)上觀測(cè)到，在手性磁體FeCoSi薄膜中，無外場(chǎng)條件下，內(nèi)部磁疇結(jié)構(gòu)會(huì)呈現(xiàn)出條帶狀的螺旋條帶。而在垂直薄膜方向上外加一個(gè)適當(dāng)大小的磁場(chǎng)時(shí)，螺旋條帶轉(zhuǎn)變成了穩(wěn)定的斯格明子。除了外加磁場(chǎng)外，為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)斯格明子在器件中的應(yīng)用，人們采用了多種方法來產(chǎn)生、調(diào)控和驅(qū)動(dòng)斯格明子。電流就是其中一個(gè)重要的手段。Zhang[17]等人理論證明了鐵磁材料中的自旋轉(zhuǎn)移矩效應(yīng)。Iwasaki[29,30]等人的模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于自旋轉(zhuǎn)移矩效應(yīng)，手性磁體中的斯格明子可以在自旋極化電流的驅(qū)動(dòng)下移動(dòng)。此后，Woo[22]等人在實(shí)驗(yàn)中?

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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