磁性斯格明子的洛伦兹电子显微学研究

发布时间：2020-05-05 09:57

【摘要】：纳米磁性斯格明子(Skyrmion)因其特殊的拓扑自旋结构以及超低电流密度驱动等特性,有望突破传统磁性材料中摩尔定律以及超顺磁极限等技术和物理的挑战,被认为是未来高密度、高速度、低能耗磁信息存储单元的理想候选对象,成为磁学领域新兴研究热点之一。该论文分别在中心对称MnNiGa、La_(1-x)Sr_xMnO_3以及非中心对称FeGe材料中,研究了磁性斯格明子的生成以及原位外场调控(磁场、电流、温度等),并在稀土化合物中进行了斯格明子的探索,主要成果如下:1)中心对称MnNiGa材料中磁性斯格明子的研究:i)利用洛伦兹透射电镜首次在MnNiGa材料中观察发现了斯格明子的存在,其磁结构具有相反手性的两个斯格明子特征,因此为拓扑数为2的磁性双斯格明子;ii)通过场冷调控,实现了极宽温区稳定(16-338 K)、零磁场且高密度的斯格明子晶格,基于实验现象建立了自由能模型,计算出斯格明子的能量势垒随温度升高而急剧减小,提出了略高于T_C时的短程有序铁磁团簇的小磁场调控、拓扑保护特性以及场冷过程中显著升高的能量势垒是高密度斯格明子零场稳定的物理机制;iii)发现通过电流的自旋转移矩效应可以调控斯格明子密度,且预先施加的电流可抑制降磁场过程中铁磁态向条纹畴的转变,优先形成斯格明子剩余磁畴态;iiii)探索了磁性双斯格明子构型的微观起源,研究了晶界限制、面内磁场、样品厚度等多种因素对斯格明子生成和稳定性的影响。2)中心对称La_(1-x)Sr_xMnO_3材料中磁性斯格明子的研究:随着温度的降低,磁晶各向异性发生改变,观察到180°面内磁畴向螺旋磁结构转变,并自发形成了尺寸约100 nm的磁泡,可零磁场稳定;研究了外加垂直磁场下磁泡布洛赫线的动态行为,观察到拓扑数为0的磁泡转变为拓扑数为1的斯格明子。3)非中心对称FeGe手性材料中磁性斯格明子的研究:通过场冷调控,拓宽了斯格明子的稳定温区,获得了零磁场且高密度的斯格明子晶格;探究了零场下亚稳态斯格明子随温度变化的弛豫动态行为,定量分析了弛豫时间与温度的依赖关系,发现近似符合Arrhenius定律,并推算出了斯格明子的能量势垒及其寿命。4)稀土化合物中磁性斯格明子的探索:研究了TbGe、GdGe与GdSi材料的低温磁结构相变,发现低温下可自发形成类斯格明子纳米磁畴;提出GdGe与GdSi材料中纳米小畴结构的形成与边缘非晶层导致磁各向异性的减弱有关。
【图文】：

信息存储器,硬盘,自旋电子学

第 1 章绪论1 斯格明子概述（skyrmion）近年来，，随着利用外场驱动电子自旋来调控材料电导性质技术的发展，科兴起了自旋电子学的研究热潮。而拓扑磁性斯格明子的低电流驱动行为使其旋电子学领域脱颖而出，有望作为新一代高密度、高速度、低能耗等自旋电件的信息载体，在未来信息磁存储领域得到广泛应用，因此具有潜在的研究。磁性斯格明子逐渐成为自旋电子学领域的重要研究方向，其发展历程需追磁性存储器的发展。1988 年，德国物理学家 Peter Grünberg 和法国物理学

三维球面,自旋结构,自旋方向,二维平面

卡洛模拟结果一致，极大地促进了斯格明子的进一步探索（图 1.2c）。2011 年Heinze 等人[22]利用自旋极化扫描电子显微镜在 Ir(111)/Fe 薄膜体系中也实空间证实了磁性斯格明子的稳定存在。此后，磁学与物理等领域对磁性斯格明子进行了广泛研究，使得磁性斯格明子的衍生电磁场效应以及电流驱动等丰富的物理现象逐渐被认识和理解。例如，Jonietz 等人[23]于 2010 年在 MnSi 中利用超低临界电流（~106A m-2）驱动斯格明子（图 1.2b）；Schulz 等人[24]于 2012 年在 MnSi 中发现了斯格明子与电流相互作用衍生的拓扑霍尔效应特性；Yu 等人[5]于 2012 年在FeGe 材料中实空间观察到斯格明子的电流驱动现象等（图 1.2d）；2013 年，Fe团队[25]在薄膜体系中发现磁性斯格明子可在室温下完成读写功能以及电流驱动操作；2015 年 Jiang 等人[7]在 Ta/CoFeB/TaOx薄膜体系，利用几何限制形成的非均匀电流产生并驱动磁性斯格明子。大量的研究工作不仅将斯格明子材料扩展到多种材料体系[26] [29]，同时也发现了多种拓扑磁性态，例如反斯格明子[30]，双斯
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O469

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