發(fā)布時(shí)間：2020-11-11 00:58

　　 磁斯格明子(magnetic skyrmion)作為一種奇異的拓?fù)渥孕Y(jié)構(gòu),憑借納米級(jí)準(zhǔn)粒子特性以及低電流驅(qū)動(dòng)密度,有望成為新一代賽道磁存儲(chǔ)器件的信息存儲(chǔ)單元,近幾年已成為磁學(xué)領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一。本論文以原位透射電鏡洛倫茲模式(in-situ Lorentz transmission electron microscopy,in-situ LTEM)作為主要表征手段,基于Pt/Co/Ta磁性多層膜體系調(diào)控出磁斯格明子密度高尺寸小的優(yōu)質(zhì)薄膜結(jié)構(gòu),并在一種新的材料體系輕稀土化合物REMn_2Ge_2(RE=Ce,Pr,Nd)家族中發(fā)現(xiàn)室溫下可穩(wěn)定存在的斯格明子磁泡。此外,為豐富對(duì)磁斯格明子的表征手段,我們還設(shè)計(jì)了兩種原位表征工具,即三維重構(gòu)樣品桿和多電極透射電鏡原位電學(xué)樣品桿,使磁斯格明子在透射電鏡下三維磁疇結(jié)構(gòu)的重構(gòu)以及電流驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)成為可能。本論文的主要研究?jī)?nèi)容及成果概括如下:1.在Pt/Co/Ta多層膜體系中調(diào)控出磁斯格明子密度高尺寸小的優(yōu)質(zhì)薄膜結(jié)構(gòu),并深入探究了磁斯格明子密度和多層膜內(nèi)稟性質(zhì)之間的關(guān)系。調(diào)控出具有高密度小尺寸磁斯格明子的結(jié)構(gòu)為T(mén)a(5nm)/[Pt(3nm)/Co(2.1nm)/Ta(1.9nm)]_(12)的最優(yōu)質(zhì)磁性多層膜。在一定外加磁場(chǎng)調(diào)控下該多層膜內(nèi)磁斯格明子密度最高可達(dá)45μm~(-2),且尺寸在50–80 nm之間。理論計(jì)算表明,密度調(diào)控的理論機(jī)制是對(duì)磁性層厚度的調(diào)控實(shí)質(zhì)上改變了磁性多層膜的磁各向異性以及DMI的大小,進(jìn)而影響了磁斯格明子的密度變化。該研究為高密度存儲(chǔ)器件的開(kāi)發(fā)在實(shí)際應(yīng)用和理論方面均可提供一定的指導(dǎo)作用。2.輕稀土化合物REMn_2Ge_2(RE=Ce,Pr,Nd)家族中斯格明子磁泡的研究。首次在該材料體系中發(fā)現(xiàn)室溫下可穩(wěn)定存在的斯格明子磁泡并探究了其溫度穩(wěn)定性,發(fā)現(xiàn)三種材料中的斯格明子磁泡均可在極寬溫域內(nèi)穩(wěn)定存在。利用場(chǎng)冷調(diào)控的方法,在NdMn_2Ge_2樣品實(shí)現(xiàn)了寬溫域(260 K-320 K)、零磁場(chǎng)且高密度的斯格明子磁泡六角晶格密堆積排布,并通過(guò)傾轉(zhuǎn)樣品證明了其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。3.三維重構(gòu)樣品桿和多電極透射電鏡原位電學(xué)樣品桿的設(shè)計(jì)研制。其中,多電極透射電鏡原位電學(xué)樣品桿的可拆卸多電極PCB電路板設(shè)計(jì)不僅可滿足更加復(fù)雜原位實(shí)驗(yàn)的條件需求還大大降低實(shí)驗(yàn)成本,三維重構(gòu)樣品桿在傾轉(zhuǎn)角范圍以及可觀察面積關(guān)鍵性能參數(shù)上有所提升。透射電子顯微鏡洛倫茲模式下實(shí)現(xiàn)磁疇結(jié)構(gòu)尤其是磁斯格明子的三維結(jié)構(gòu)表征以及電流驅(qū)動(dòng)提供實(shí)用性更強(qiáng)的原位表征工具。
【學(xué)位單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類(lèi)】：O469
【部分圖文】：

蘭州大學(xué)碩士學(xué)位論文磁斯格明子的透射電鏡原位表征及原位樣品桿的研發(fā)1第一章緒論1.1引言磁斯格明子一躍成為磁學(xué)和自旋電子學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，根本的原因是磁性存儲(chǔ)器件的不斷發(fā)展。1988年，巨磁阻(giantmagnetoresistance,GMR)效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)[1]使人們意識(shí)到電子的兩種內(nèi)稟屬性，即自旋和電荷，之間具有強(qiáng)烈的耦合作用，磁場(chǎng)作用于電子的自旋會(huì)影響到電荷的輸運(yùn)�；贕MR效應(yīng)被研發(fā)出的機(jī)械硬盤(pán)雖然目前被廣泛應(yīng)用，但仍暴露出許多不足，例如讀寫(xiě)速度低、存儲(chǔ)密度有限、功耗大及熱干擾效應(yīng)等等。如今信息時(shí)代數(shù)據(jù)的指數(shù)型增長(zhǎng)，顯然舊式的磁存儲(chǔ)方式越來(lái)越不能滿足要求。2008年P(guān)arkin等人提出基于自旋轉(zhuǎn)移力矩(spintransfertorque,STT)的賽道存儲(chǔ)概念[2]，即利用自旋極化電流驅(qū)動(dòng)疇壁運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)信息存儲(chǔ)，見(jiàn)圖1.1(a)。與機(jī)械硬盤(pán)相比，三維賽道的設(shè)計(jì)提高了存儲(chǔ)密度，電流驅(qū)動(dòng)大幅提升了讀寫(xiě)速度，但1011-1012A/m2的電流密度[3,4]仍導(dǎo)致大額功耗的產(chǎn)生。而磁斯格明子的出現(xiàn)恰好解決了這一問(wèn)題并伴隨諸多優(yōu)點(diǎn)，2013年Fert等人提出基于磁斯格明子的賽道存儲(chǔ)器概念[5]，見(jiàn)圖1.1(b)。它僅有的106A/m2的驅(qū)動(dòng)電流密度[6]恰好解決了大功耗問(wèn)題，并且由于磁斯格明子本身的納米級(jí)小尺寸和拓?fù)浔Ｗo(hù)屬性，進(jìn)一步提升了存儲(chǔ)密度并避免了磁疇壁容易被雜質(zhì)缺陷釘扎的影響。也正是人們看到磁斯格明子可作為新型賽道存儲(chǔ)器件的信息載體這一潛在的巨大應(yīng)用前景，使得學(xué)術(shù)圈中磁斯格明子的研究浪潮勢(shì)頭正盛。圖1.1(a)基于疇壁運(yùn)動(dòng)的賽道存儲(chǔ)器，(b)磁斯格明子賽道存儲(chǔ)器[5]縱觀磁斯格明子的研究歷程會(huì)發(fā)現(xiàn)，自從2009年首次利用中子衍射(SANS)

將分別對(duì)磁斯格明子和透射電鏡洛倫茲模式下的原位表征技術(shù)進(jìn)行概述，并闡述本文立意。1.2磁斯格明子概述1.2.1背景簡(jiǎn)介斯格明子一詞最早來(lái)源于粒子物理領(lǐng)域。物理學(xué)家TonySkyrme為解釋場(chǎng)論中的強(qiáng)子模型提出一種拓?fù)涔伦訄?chǎng)構(gòu)型[18]，后來(lái)人們?yōu)榱思o(jì)念他的貢獻(xiàn)將該場(chǎng)構(gòu)型命名為斯格明子。而后隨著研究的不斷推進(jìn)，凝聚態(tài)物理領(lǐng)域也出現(xiàn)了斯格明子的身影。具體到磁學(xué)領(lǐng)域，我們稱之為磁斯格明子[19]。磁斯格明子是一種受拓?fù)浔Ｗo(hù)的奇異的非共線自旋結(jié)構(gòu)，兩種傳統(tǒng)類(lèi)型的磁斯格明子其三維球面與二維投影下的自旋結(jié)構(gòu)如下圖1.2所示[20]。圖1.2(a)奈爾型磁斯格明子，(b)布洛赫型磁斯格明子[20]追溯其研究發(fā)展歷程，我們把里程碑式的研究成果總結(jié)如圖1.3。2001年Bogdanov首次預(yù)言磁斯格明子穩(wěn)定存在于空間反演對(duì)稱破缺的磁性薄膜中[21]

蘭州大學(xué)碩士學(xué)位論文磁斯格明子的透射電鏡原位表征及原位樣品桿的研發(fā)3（圖1.3(a)）。直至2009年S.Mühlbauer等人才利用中子衍射技術(shù)在MnSi單晶里實(shí)現(xiàn)了磁斯格明子實(shí)驗(yàn)上的首次觀測(cè)[7]（圖1.3(b)）。緊接著在2010年他們首次使用電流驅(qū)動(dòng)磁斯格明子并闡述了電流與磁斯格明子之間的相互作用[22]（圖1.3(c)）。于同年日本理化所Yu、Tokura等人利用透射電鏡洛倫茲模式在FeCoSi中實(shí)現(xiàn)了實(shí)空間中磁斯格明子的首次觀測(cè)[23]（圖1.3(d)）。2011年，實(shí)驗(yàn)上在磁性薄膜體系Fe/Ir里也觀測(cè)到了穩(wěn)定存在的磁斯格明子[24]（圖1.3(e)）。Fert便在2013年提出了基于磁斯格明子的隧道存儲(chǔ)器概念[5]（圖1.3(f)）。此后磁斯格明子領(lǐng)域的研究呈現(xiàn)出百花齊放態(tài)勢(shì)，在諸多方面例如新材料體系的探索[25]（圖1.3(i)）、電流驅(qū)動(dòng)[26]（圖1.3(h)）、不同拓?fù)鋺B(tài)[27]（圖1.3(j)）、成核與湮滅[28]（圖1.3(g)）以及其他外場(chǎng)下對(duì)磁斯格明子的調(diào)控[29]等展開(kāi)深入探索，這些工作為磁斯格明子在未來(lái)磁存儲(chǔ)器件中的實(shí)際應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的理論基矗圖1.3(a)理論預(yù)言的磁斯格明子結(jié)構(gòu)示意圖[21]，(b)MnSi單晶中磁斯格明子相圖[7]，(c)MnSi中磁斯格明子與電流相互作用示意圖[22]，(d)FeCoSi中磁斯格明子的洛倫茲電鏡表征[23]，(e)Fe/Ir薄膜體系中的磁斯格明子[24]，(f)磁斯格明子賽道存儲(chǔ)示意圖[5]，(g)磁斯格明子成核過(guò)程[28]，(h)室溫下的電流驅(qū)動(dòng)過(guò)程[26]，(i)室溫下穩(wěn)定存在的磁斯格明子的Fe3Sn2晶體結(jié)構(gòu)示意圖[25]，(j)反斯格明子的LTEM圖片[27]。1.2.2拓?fù)鋺B(tài)分類(lèi)首先我們需要引入拓?fù)鋽?shù)的概念來(lái)描述磁斯格明子的拓?fù)鋵傩訹30,31]，定義公式為=14∫(×)(1.1)其中m為歸一化磁矩，公式(1.1)便是描述歸一化磁矩繞三維單位球體的次數(shù)
【參考文獻(xiàn)】

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2 余東海;王成勇;成曉玲;宋月賢;;磁控濺射鍍膜技術(shù)的發(fā)展[J];真空;2009年02期

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