铁磁材料拓扑磁结构的力学调控

发布时间：2020-09-12 13:40

　　 铁磁材料具有优良的多场耦合特性,因此被广泛地应用于传感器、存储器等功能器件。铁磁材料中磁结构的拓扑特性对材料的物理性能具有显著的影响。本文采用实空间下的相场模拟方法,研究了力学载荷对铁磁材料中磁化涡旋和磁性斯格明子两种拓扑磁结构的影响。由于实空间下的相场模型克服了文献中已有模型对周期性边界条件的依赖,可以适用于复杂外形和复杂边界的材料模型,因此能够有效地模拟低维铁磁材料中磁化涡旋和磁性斯格明子等复杂拓扑磁结构在不同外场下的演化。首先,本文通过相场模型模拟了外力作用下具有缺陷的铁磁材料中磁化涡旋的演化及其对铁磁材料断裂性能的影响。模拟结果表明,外力作用会使模型中裂纹两边原有的双磁化涡旋结构转化为6个涡旋结构,从而显著地降低了裂纹尖端应力强度因子。其次,我们通过在相场模型中引入DM交互作用和自旋转移矩效应,研究了单轴应变对手性磁体磁序的调控。研究结果表明,铁磁薄膜中的外加应变不仅可以改变手性磁体磁结构的尺寸和形态,更会引起新型的斯格明子拓扑相变。与此同时,通过相场模拟,我们发现手性磁体的拓扑相变过程会显著影响材料的弹性系数。最后,采用铁电/铁磁复合材料相场模型,研究了铁电和铁磁复合薄膜的界面变形对斯格明子的影响。结果表明,铁电和铁磁复合薄膜中铁电斯格明子引起的界面变形,可以成功地在铁磁层中诱导出了自发斯格明子格点,从而得到了电控磁性斯格明子的新途径。本文的研究结果表明,基于铁磁材料的磁弹耦合效应,我们可以采用力学手段对不同形式的拓扑磁结构进行有效的调控,为设计基于拓扑磁结构的新型自旋电子器件提供了一定的理论基础。
【学位单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：O482.54
【部分图文】：

浙江大学硕士学位论文＾式中ｍ表示铁磁材料中的基准化磁化强度矢量。根据拓扑数的不同，我们可以把拓扑构分为非平庸拓扑结构（Ｓ＃０）和平庸拓扑结构（Ｓ＝０），这两种拓扑磁结构之间无法发地相互转换，因此具有非平庸拓扑荷的磁化结构是受到拓扑保护的。纳米铁磁材料中见的拓扑磁结构都具有自己的拓扑数，比如磁畴壁（ｓ＝ｏ）、斯格明子（Ｓ＝ｌ）、磁化涡（Ｓ＝ｌ／２）、麦纫（Ｓ＝ｌ／２）等等。铁磁材料中最常见的拓扑磁结构是磁畴壁。磁畴是铁磁材微结构的主要表现形式，表示铁磁材料内部原子磁矩规则分布的一个区域。而磁畴壁是个磁畴之间磁化逐渐过渡的区域。磁畴壁有两yL经典的分布：磁化在畴壁面内逐渐变化至反向的布洛赫型（Ｂｌｏｃｈ邋ｗａｌｌ）和磁化在垂直畴壁面方向逐渐变化直至反向的尼尔型（Ｎｅｗａｌｌ），其结构如图１．１所示。逡逑

１１邋ｈ邋卜…１１１邋…＇邋１１１１邋ｊ逦１１／／＾＼＼＼邋｜逡逑（ａ）布洛赫型磁畴壁逦（ｂ）尼尔型磁畴壁逡逑图１．邋１铁磁材料中磁畴壁的拓扑结构？逡逑磁性斯格明子作为拓扑磁学经典的研究对象Ｐｉ，近年来引起了学术界的广泛关注。的概念最初由Ｓｋｙｒｍｅ１１３］提出，最开始是用来描述核物理中的强子（ｈａｄｒｏｎｓ）。然而当处于非平衡态或者是在外场作用、拓扑缺陷扩散时，斯格明子状态也会出现统中，如量子霍尔系统｜１４１，液晶［１５］，经典流体（｜６］和手性磁体［７；８］中。手性磁体中格明子在拓扑上可以理解为一种极端的磁畴壁与上面提到的磁畴壁相对应，明子也可以分为布洛赫型和尼尔型两种，其中布洛赫型表现出了类似涡旋的手性尼尔型为对称分布。相比布洛赫型，尼尔型斯格明子通常出现在斯格明子尺寸较性磁体中，较强的自旋交换作用使其不易出现涡旋结构。两种斯格明子的经典图像如示。逡逑

浙江大学硕士学位论文磁化涡旋也是一种常见的拓扑磁结构，它在拓扑上介于磁性斯格明子和磁畴壁之间，通常逡逑在二维纳米铁磁材料中出现。磁化涡旋中的磁化强度会首尾相接形成涡旋结构，而中心处逡逑的磁化强度会指向面外。根据涡旋磁化强度涡旋方向和中心磁化方向的不同，我们可以将逡逑其划分为四种不同形态，其具体结构如图１．３（ａ）所示。处于不同状态的磁化涡旋之间可以逡逑在外场下实现相互转换，这也为其运用于枿机存储器提供了可能。逡逑

【参考文献】

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1 张志东;;磁性材料的磁结构、磁畴结构和拓扑磁结构[J];物理学报;2015年06期

本文编号：2817700