傳統(tǒng)的電子技術(shù)面臨著許多挑戰(zhàn),如設(shè)備的可擴(kuò)展性和性能的提高。自旋電子學(xué)因其特殊的自旋特性而擁有大量的支持者,并且有望促進(jìn)電子器件進(jìn)入下一個(gè)時(shí)代。磁性斯格明子是一種拓?fù)浞�(wěn)定的納米量級(jí)的磁化構(gòu)型。它具有體積小、穩(wěn)定性好、驅(qū)動(dòng)電流閾值低、可多場(chǎng)調(diào)控等優(yōu)點(diǎn),成為了下一代電子器件的基礎(chǔ)。然而,鐵磁斯格明子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)受到馬格努斯力的作用,使其在垂直于驅(qū)動(dòng)力的方向上產(chǎn)生橫向運(yùn)動(dòng),從而導(dǎo)致斯格明子在樣品邊緣被破壞。本文介紹了基于鐵磁斯格明子的二極管的微磁學(xué)研究,提出了一種能有效抑制斯格明子橫向漂移并實(shí)現(xiàn)了斯格明子單向運(yùn)動(dòng)的二極管模型。在此,我們通過(guò)計(jì)算表明由電壓控制磁各向異性效應(yīng)（VCMA）形成的高垂直磁晶各向異性（PMA）的賽道邊緣,不僅可以使斯格明子沿納米賽道安全地運(yùn)動(dòng),還可以提高斯格明子的運(yùn)動(dòng)速度。相比于未施加電壓時(shí),斯格明子的速度至少提高11.66%。另一方面,我們發(fā)現(xiàn)在納米賽道邊緣上通過(guò)施加電壓形成一個(gè)PMA較高的局部區(qū)域,可以實(shí)現(xiàn)斯格明子的單向運(yùn)動(dòng)。此外,我們展示了一個(gè)類似于PN結(jié)的基于鐵磁斯格明子的二極管原型,其還能實(shí)現(xiàn)賽道存儲(chǔ)器與二極管的功能轉(zhuǎn)換。本文的研究結(jié)果可為設(shè)計(jì)基于斯格明子... 

【文章來(lái)源】：四川師范大學(xué)四川省

【文章頁(yè)數(shù)】：55 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：碩士

【部分圖文】：

五種基本的磁結(jié)構(gòu)[2]

緒論7在鐵磁性物質(zhì)中，相鄰原子的電子自旋存在著一種很強(qiáng)的交換相互作用，使近鄰原子的自旋磁矩取向相同，產(chǎn)生自發(fā)磁化。但是所有鐵磁體都有一定的大小和形狀，交換相互作用引起的自發(fā)磁化必定會(huì)在兩端產(chǎn)生磁荷堆積，導(dǎo)致退磁場(chǎng)增大。為了減小退磁能，晶體內(nèi)的自旋取向產(chǎn)生區(qū)域性分布，通常稱為分疇。磁矩取向相同的區(qū)域被稱為磁疇。一般來(lái)說(shuō)，磁疇的寬度大致是10-3cm，其中約有1014個(gè)原子[4]。其次，晶體中應(yīng)力分布不均勻也會(huì)使磁矩分疇，在應(yīng)力快速變化的位置，磁矩方向也會(huì)變化。另外，相鄰區(qū)域的自旋取向并不相同，如圖1.2所示。正是由于磁疇與磁疇之間的自旋取向不同，鐵磁體在沒(méi)有外場(chǎng)時(shí)雖然磁性較強(qiáng)，但對(duì)外不顯示磁性。圖1.2磁疇結(jié)構(gòu)示意圖然而，由于交換相互作用，相鄰電子的自旋取向的夾角越小，交換能越小，磁化構(gòu)形越穩(wěn)定。因此，各個(gè)磁疇交界面附近的磁矩并不是突然變化的，是依據(jù)能量最低原理而存在一個(gè)連續(xù)變化的部分，約為103原子數(shù)量級(jí)寬度，稱為磁疇壁。按照疇壁內(nèi)磁矩方向的轉(zhuǎn)動(dòng)規(guī)律不同，將疇壁分為布洛赫壁（BlochDomainwall）和奈爾壁（NéelDomainwall）[2,5]，如圖1.3所示。布洛赫壁中的磁矩始終在平行于疇壁的平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，見(jiàn)圖1.3（a），而奈爾壁的磁矩如圖3（b）所示，是在垂直于疇壁的平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。在三維體材料中，為了避免在疇壁兩側(cè)堆積磁荷增加退磁能，疇壁通常為布洛赫壁。但在二維膜材料中，奈爾通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)薄膜的厚度為大塊樣品的1/5，疇壁能約提高了4倍。此時(shí)，奈爾壁的自由能比布洛赫壁更小，更穩(wěn)定。疇壁除了按磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)的方式分類外，還可以按照磁矩轉(zhuǎn)動(dòng)的角度分為90°疇壁、180°疇壁等。

四川師范大學(xué)碩士學(xué)位論文8圖1.3磁疇結(jié)構(gòu)示意圖。(a)布洛赫型，(b)奈爾型。1.3.2特殊的疇壁結(jié)構(gòu)：斯格明子1962年，斯格明子（Skyrmion）模型的概念被T.H.R.Skyrme在核物理領(lǐng)域提出[23]。之后，此概念被推廣到基本粒子、玻色-愛(ài)因斯坦凝聚體、液晶等諸多領(lǐng)域。迄今為止，有關(guān)磁性系統(tǒng)中斯格明子的研究大致經(jīng)歷了三個(gè)階段。第一階段主要是理論預(yù)測(cè)階段[24-28]。1989年，Bogdanov和Yablonskiǐ首次預(yù)測(cè)了在磁性材料中存在手性磁性斯格明子[24]。1994年，Bogdanov和Hubert從理論上研究了具有Dzyaloshinskii-Moriya(DM)相互作用和易軸的磁性材料中斯格明子的結(jié)構(gòu)[27,28]。2001年，Bogdanov和Rler預(yù)測(cè)斯格明子會(huì)存在于手對(duì)稱性破壞的磁性薄膜和多層膜中[25]。第二階段主要是實(shí)驗(yàn)階段[26,29-36]，理論上側(cè)重研究斯格明子的動(dòng)力學(xué)特征。2009年，Mühlbauer等人首次在實(shí)驗(yàn)中用中子散射的方法在溫度為29K下的非對(duì)稱的手性磁體MnSi中探測(cè)到斯格明子晶體相[37]。2010年，Yu等人用洛侖茲顯微鏡第一次在25K下的Fe1-xCoxSi薄膜中觀測(cè)到實(shí)空間的斯格明子晶體[38]。2013年，N.Romming等人第一次實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)斯格明子可控的產(chǎn)生、探測(cè)和刪除[39]。兩年之后，OlivierBoulle等人在無(wú)外場(chǎng)和室溫的條件下納米量級(jí)的Pt/Co/MgO薄膜上探測(cè)到了斯格明子[40]。2015年，杜海峰等人首次利用傳統(tǒng)電學(xué)方法探測(cè)到單個(gè)斯格明子的產(chǎn)生與湮滅過(guò)程[41]。除此之外，在2010年和2017年分別實(shí)現(xiàn)了電流和局域電場(chǎng)對(duì)斯格明子的操控[42,43]。第三階段主要是在理論上對(duì)斯格明子進(jìn)行應(yīng)用開(kāi)發(fā)（邏輯門[44-47]、類晶體管[48-50]、賽道存儲(chǔ)器[51-54]、神經(jīng)元器件[55-58]等）以及不同磁系統(tǒng)中相關(guān)的磁結(jié)構(gòu)（反鐵磁斯格明子、meron等）[59]的研究。關(guān)于應(yīng)用方面在本文第四部分的引言中詳細(xì)敘述，其他?

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]微磁動(dòng)力學(xué)的新進(jìn)展[J]. 嚴(yán)鵬,王向榮.  物理學(xué)進(jìn)展. 2011(03)
[2]磁學(xué)的發(fā)展與重要磁性材料的應(yīng)用[J]. 胡雙鋒,黃尚宇,周玲,呂書(shū)林.  稀有金屬材料與工程. 2007(S3)



本文編號(hào)：3566168