磁斯格明子（magnetic skyrmion）是一種具有準(zhǔn)粒子特性的拓?fù)渥孕Y(jié)構(gòu)。這種新型的磁自旋結(jié)構(gòu)由于空間尺寸較小和驅(qū)動(dòng)其運(yùn)動(dòng)的臨界電流密度較低,在下一代信息存儲器和自旋電子學(xué)器件中有很大的應(yīng)用潛力,如賽道存儲器、微波探測器、邏輯門器件和自旋納米振蕩器等。有效可控地操縱skyrmion運(yùn)動(dòng)無論在理論研究方面還是在實(shí)際應(yīng)用上都具有非常重要的物理意義。鑒于此,本論文主要采用微磁學(xué)模擬,嘗試用多種方法調(diào)控skyrmion運(yùn)動(dòng),并結(jié)合理論模型分析了模擬結(jié)果。論文的主要內(nèi)容如下:首先,我們研究磁各向異性梯度對skyrmion運(yùn)動(dòng)的影響。通過在電極/磁性多層膜/斜坡絕緣層/電極結(jié)構(gòu)中利用電壓調(diào)控磁各向異性效應(yīng),在磁性層中產(chǎn)生磁各向異性梯度。結(jié)果發(fā)現(xiàn),該磁各向異性梯度能夠驅(qū)動(dòng)skyrmion在磁性納米條帶中運(yùn)動(dòng)。隨著磁各向異性梯度從-1.0×10¹⁰ J/m⁴增大到-8.0×10¹⁰ J/m⁴,skyrmion運(yùn)動(dòng)速度從0.1 m/s增大到23 m/s。磁各向異性梯度和平面內(nèi)外磁場可以共同有效地調(diào)控skyr... 

【文章來源】：蘭州大學(xué)甘肅省 211工程院校 985工程院校 教育部直屬院校

【文章頁數(shù)】：128 頁

【學(xué)位級別】：博士

【部分圖文】：

（a）MnSi磁相圖；（b）T=26.45K，B=0.164T時(shí)，A-相中子散射強(qiáng)度圖譜[5]

蘭州大學(xué)博士研究生學(xué)位論文磁斯格明子動(dòng)力學(xué)的微磁學(xué)模擬研究3圖1-2（a）FeCoSi單晶薄膜中skyrmion晶格自旋結(jié)構(gòu)，其中垂直外磁場強(qiáng)度為50mT[7]；（b）自旋極化掃描隧道顯微鏡觀測Ir(111)/Fe[17]，插圖為skyrmion自旋極化掃描隧道顯微鏡模擬圖；（c）Ir(111)/PdFe薄膜在不同外磁場下(U=+50mV,I=0.2nA)，呈現(xiàn)不同磁矩分布狀態(tài)[19]：螺旋自旋態(tài)和skyrmion態(tài)共存；skyrmion態(tài)；鐵磁態(tài)；（d）Ir(111)/PdFe薄膜中兩個(gè)skyrmion的磁信號[20]，其中U=+250mV,I=1nA,T=4.2K；（e）Fe/Ni薄膜在室溫下呈現(xiàn)skyrmion相[21]；（f）Ir/Co/Pt薄膜在室溫和68mT外磁場的實(shí)驗(yàn)條件下，呈現(xiàn)直徑少于100nm的skyrmion[22]；（g）Fe/Co/MgO薄膜在室溫和零外磁場條件下，呈現(xiàn)skyrmion態(tài)[23]；（h）Pt/Co/Ru多層薄膜在室溫下，呈現(xiàn)反鐵磁skyrmion態(tài)[25]。2015年，ChenG.等人利用自旋極化低能電子顯微鏡對更復(fù)雜的多層金屬堆疊結(jié)構(gòu)Fe/Ni/Cu/Ni/Cu(001)多層薄膜進(jìn)行研究，在室溫和零外磁場條件下可以觀測到skyrmion，如圖1-2（e）所示[21]。該結(jié)構(gòu)中skyrmion直徑約400nm，比實(shí)際應(yīng)用中理想的skyrmion尺寸稍微大一些。但是該方法在基于skyrmion的自旋電子器件中有很大應(yīng)用潛能。由于Ir/Co界面和Co/Pt界面均有DMI效應(yīng)，Moreau-Luchaire等人在(Ir/Co/Pt)10多層薄膜中觀測到直徑小于100nm的skyrmion自旋結(jié)構(gòu)，如圖1-2（f）所示[22]。2016年，Boulle等人通過光電子顯微鏡證實(shí)了在常溫和零外場的情況下，skyrmion穩(wěn)定存在于濺射Pt/Co/MgO多層薄膜[23]，如圖1-2（g）所示。Woo等人在常溫和垂直外磁場的實(shí)驗(yàn)條件下，在Pt/Co/Ta與Pt/CoFeB/MgO體系中觀測到電流驅(qū)動(dòng)skyrmion運(yùn)動(dòng)[24]。2019年，LegrandW.等人證實(shí)反鐵磁skyrmion穩(wěn)定存在于濺射Pt/Co/Ru多層

蘭州大學(xué)博士研究生學(xué)位論文磁斯格明子動(dòng)力學(xué)的微磁學(xué)模擬研究512=12(×12)(1-2)式中z是垂直磁性層界面的單位矢量，12是原子1位指向原子2位的單位矢量。當(dāng)12>0，DMI趨向于從1到2逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)[17,32]；當(dāng)12<0，DMI趨向于從1到2順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。如果1和2初始態(tài)是平行，強(qiáng)DMI效果（相對于對稱性交換作用）可以導(dǎo)致1和2圍繞12有相對傾斜。DMI對磁性系統(tǒng)單位體積能量表達(dá)式為[9]=+(1-3)其中D是DMI常數(shù)。在具有界面DMI的磁性薄膜中，D與薄膜厚度成反比：[9]圖1-3（a）由兩個(gè)原子和另外一個(gè)具有強(qiáng)自旋軌道耦合原子組成的三角關(guān)系之間間接交換作用產(chǎn)生的DMI示意圖。[9,33]；（b）由鐵磁金屬（灰色）和另外一個(gè)具有強(qiáng)自旋軌道耦合的金屬（藍(lán)色）界面產(chǎn)生的DMI示意圖。該DMI矢量D12垂直于三角形平面；由于強(qiáng)自旋軌道耦合只存在于底層金屬層中，該DMI不能被來源于對稱三角形的DMI補(bǔ)償[9,34]對于金屬系統(tǒng)，手性相互作用首先體現(xiàn)在無序合金中。[9,33]。該材料中具有大自旋軌道耦合的原子促使兩個(gè)磁性原子間產(chǎn)生DMI。如圖1-3（a）所示，此時(shí)12垂直這三個(gè)原子組成的三角形所在的平面[9,33]。此外，DMI被預(yù)言存在于同樣對稱性的磁性薄膜和具有大自旋軌道耦合作用的金屬的界面[9,34]。在磁性薄膜（比如Co）和具有強(qiáng)自旋軌道耦合的金屬（比如Pt）組成的系統(tǒng)中，界面DMI可看做來源于Co-Pt-Co三角形；12在界面的平面內(nèi)并且垂直于連接1和2的矢量，如圖1-3（b）所示[9,34]不同類型的金屬薄膜/重金屬界面的DMI被進(jìn)行理論計(jì)算。[9,36-38]。Ir(111)/Fe單層薄膜中Fe自旋對的12為-1.7mV[17]；Pt(111)/Co單原子層的12為1.8mV[38]；三層Ir(111)基底上生長Fe單層的12為-1.9mV[32]；三層Pt(111)基底上生長Co單層的12為1.7mV[32]。圖1-4（a）表示了在不同5d金屬基底上生長?

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]磁性斯格明子的多場調(diào)控研究[J]. 董博聞,張靜言,彭麗聰,何敏,張穎,趙云馳,王超,孫陽,蔡建旺,王文洪,魏紅祥,沈保根,姜勇,王守國.  物理學(xué)報(bào). 2018(13)



本文編號：3095965