拓扑磁结构的力电磁多场耦合特性研究
发布时间：2021-07-06 00:51
在磁性材料中,磁畴壁、磁化涡旋、磁性斯格明子等拓扑磁结构具有独特的力、电、磁、热多场耦合特性,使得其在未来新型自旋电子器件中有着广泛的应用前景。本文针对拓扑磁结构的力电磁多场耦合特征,基于Landau相变理论建立了包含温度效应、自旋转移矩和自旋轨道矩效应的实空间下电磁材料相场模型,并提出了非线性多场耦合有限元法求解相场模型的控制方程,使得该方法可以适用于复杂结构和任意边界条件的电磁材料,因此能够更有效地模拟低维铁磁材料和多铁异质结构中的拓扑磁结构的演化。采用所建立的模型和提出的计算方法,本文研究了以下拓扑磁结构的力电磁多场耦合特性。首先,本文研究了铁磁纳米线中磁化涡旋的力学调控。相场模拟发现,当铁磁纳米线样品生长在基底上时,由于基底与样品之间错配应变松弛的影响,错配应变的分布会随着样品尺寸与形状而改变。我们模拟得到了不同尺寸的铁磁样品在不同应变分布下的磁畴分布,得出铁磁纳米线中磁化涡旋稳定存在的应变分布区域,并且与实验结果吻合一致。其次,本文还研究了多铁异质结构中斯格明子的力电磁调控。通过相场模拟,设计了拓扑磁结构能够稳定存在的铁电/铁磁复合材料异质结构。在铁电/铁磁异质结构中,由于电...
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
铁磁材料中的斯格明子示意图[11]
浙江大学硕士论文绪论4出信息。图1.3（a）基于磁畴壁的存储器[5]（b）基于磁畴壁的逻辑器件与存储器[20]除了磁畴壁以外，磁化涡旋也是铁磁材料中常见的典型拓扑磁结构。尤其在铁磁纳米点中，由于几何和边界的约束，在海森伯交换作用能与退磁场能的共同作用下，磁化涡旋作为基态稳定地存在于铁磁材料之中。Wang[26]等人运用相场模型理论证明了扭矩可以调控磁化涡旋的旋转方向以及涡核中心的方向。如图1.4所示，在铁磁纳米点上施加逆时针扭矩时，纳米点内磁化涡旋也朝着逆时针方向旋转，涡核中心朝上。而施加顺时针扭矩时，磁化涡旋也朝着顺时针方向旋转，涡核中心则朝下。这为力学调控磁化涡旋的方向提供理论依据。Ju[27]等人在实验中，利用局部磁场实现了纳米点中磁化涡旋的翻转。他们通过原子力显微镜的探针给铁磁纳米点的中心施加一个循环的局部磁常在这个局部磁场的作用下，纳米点中的磁化涡旋的旋转方向发生了反向。这在实验上证明了磁化涡旋的磁学翻转行为。如上所述，磁化涡旋的具有不同的旋转方向，其涡核也有不同的朝向。使得磁化涡旋也具有携带信息的能力。这为磁化涡旋在自旋电子器件中的应用也奠定了基矗Bohlens[21]等人就基于磁化涡旋设计了一种随机存取存储器（RAM）。他们将多个铁磁纳米点并联起来。利用交变电流控制单个纳米点中涡旋的旋转方向。利用不同的涡旋旋转方向表示二进制存储中的“0”和“1”。他们证明了这
浙江大学硕士论文绪论5种器件够在室温下稳定工作。这为磁化涡旋在随机存取存储器的应用提供了思路。随后，Yu[28]等人在实验上实现了一种二乘二的可控磁化涡旋结构。如图1.5所示，该结构可以通过面内两个方向的电流脉冲相互配合从而实现结构内部磁化涡旋的涡核的运动与翻转。这一性质有望应用于磁存储器中。图1.4扭矩翻转磁化涡旋[26]图1.5基于磁化涡旋的磁存储器[28]磁性斯格明子也同样是近年来备受关注的一种拓扑磁结构。磁性斯格明子是铁磁材料中一个局部的非共线磁矩分布（图1.2）。相较于磁化涡旋，斯格明子的形成主要归因于DM相互作用。Dzyaloshinskii[3]和Moriya[4]发现，例如FeGe，MnSi，Cu2OSeO3等B20晶体因反演非对称而具有手性，被称为手性磁体。在手性磁体中，电子的自旋轨道散射作用会使磁体中产生手性的螺旋磁矩分布。他们将这种现象用一种非共线的自旋相互作用来描述，并称之为DM相互作用。从此以后，人们认识到，相邻电子自旋之间的作用除了共线的海森伯交换作用外，还具有非共线的DM相互作用。Rler[10]等人理论预测了在具有DM相互作用的手性磁体中斯格明子的存在。之后，Yu[9]等人在实验上观测到，在手性磁体FeCoSi薄膜中，无外场条件下，内部磁畴结构会呈现出条带状的螺旋条带。而在垂直薄膜方向上外加一个适当大小的磁场时，螺旋条带转变成了稳定的斯格明子。除了外加磁场外，为了进一步实现斯格明子在器件中的应用，人们采用了多种方法来产生、调控和驱动斯格明子。电流就是其中一个重要的手段。Zhang[17]等人理论证明了铁磁材料中的自旋转移矩效应。Iwasaki[29,30]等人的模拟结果发现，由于自旋转移矩效应，手性磁体中的斯格明子可以在自旋极化电流的驱动下移动。此后，Woo[22]等人在实验中?
【参考文献】：
期刊论文
[1]锰氧化物纳米线中不均匀应变诱发的磁涡旋团簇（英文）[J]. Iftikhar Ahmed Malik,黄厚兵,王煜,王学云,崔晓,孙元伟,Rizwan Ullah,张跃林,王静,Muhammad Abdullah Malik,Irfan Ahmed,熊昌民,Simone Finizio,Mathias Kl?ui,高鹏,王杰,张金星. Science Bulletin. 2020(03)
[2]可控氧化方法制备的锰氧化物中隐藏的金属-绝缘体转变研究（英文）[J]. 宋创业,Iftikhar Ahmed Malik,李梦蕾,张庆华,王立辰,王静,陈荣艳,郑仁奎,董帅,谷林,段文晖,南策文,张金星. Science China Materials. 2019(04)
[3]多铁性磁电器件研究进展[J]. 俞斌,胡忠强,程宇心,彭斌,周子尧,刘明. 物理学报. 2018(15)
[4]磁性斯格明子:拓扑磁性的展现[J]. 栗佳. 物理. 2017(05)
[5]材料微结构演化的相场模拟[J]. 王杰,李欣凯,刘畅,石以诺. 固体力学学报. 2016(01)
[6]磁性材料的磁结构、磁畴结构和拓扑磁结构[J]. 张志东. 物理学报. 2015(06)
本文编号：3267180
【文章来源】：浙江大学浙江省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
铁磁材料中的斯格明子示意图[11]
浙江大学硕士论文绪论4出信息。图1.3（a）基于磁畴壁的存储器[5]（b）基于磁畴壁的逻辑器件与存储器[20]除了磁畴壁以外，磁化涡旋也是铁磁材料中常见的典型拓扑磁结构。尤其在铁磁纳米点中，由于几何和边界的约束，在海森伯交换作用能与退磁场能的共同作用下，磁化涡旋作为基态稳定地存在于铁磁材料之中。Wang[26]等人运用相场模型理论证明了扭矩可以调控磁化涡旋的旋转方向以及涡核中心的方向。如图1.4所示，在铁磁纳米点上施加逆时针扭矩时，纳米点内磁化涡旋也朝着逆时针方向旋转，涡核中心朝上。而施加顺时针扭矩时，磁化涡旋也朝着顺时针方向旋转，涡核中心则朝下。这为力学调控磁化涡旋的方向提供理论依据。Ju[27]等人在实验中，利用局部磁场实现了纳米点中磁化涡旋的翻转。他们通过原子力显微镜的探针给铁磁纳米点的中心施加一个循环的局部磁常在这个局部磁场的作用下，纳米点中的磁化涡旋的旋转方向发生了反向。这在实验上证明了磁化涡旋的磁学翻转行为。如上所述，磁化涡旋的具有不同的旋转方向，其涡核也有不同的朝向。使得磁化涡旋也具有携带信息的能力。这为磁化涡旋在自旋电子器件中的应用也奠定了基矗Bohlens[21]等人就基于磁化涡旋设计了一种随机存取存储器（RAM）。他们将多个铁磁纳米点并联起来。利用交变电流控制单个纳米点中涡旋的旋转方向。利用不同的涡旋旋转方向表示二进制存储中的“0”和“1”。他们证明了这
浙江大学硕士论文绪论5种器件够在室温下稳定工作。这为磁化涡旋在随机存取存储器的应用提供了思路。随后，Yu[28]等人在实验上实现了一种二乘二的可控磁化涡旋结构。如图1.5所示，该结构可以通过面内两个方向的电流脉冲相互配合从而实现结构内部磁化涡旋的涡核的运动与翻转。这一性质有望应用于磁存储器中。图1.4扭矩翻转磁化涡旋[26]图1.5基于磁化涡旋的磁存储器[28]磁性斯格明子也同样是近年来备受关注的一种拓扑磁结构。磁性斯格明子是铁磁材料中一个局部的非共线磁矩分布（图1.2）。相较于磁化涡旋，斯格明子的形成主要归因于DM相互作用。Dzyaloshinskii[3]和Moriya[4]发现，例如FeGe，MnSi，Cu2OSeO3等B20晶体因反演非对称而具有手性，被称为手性磁体。在手性磁体中，电子的自旋轨道散射作用会使磁体中产生手性的螺旋磁矩分布。他们将这种现象用一种非共线的自旋相互作用来描述，并称之为DM相互作用。从此以后，人们认识到，相邻电子自旋之间的作用除了共线的海森伯交换作用外，还具有非共线的DM相互作用。Rler[10]等人理论预测了在具有DM相互作用的手性磁体中斯格明子的存在。之后，Yu[9]等人在实验上观测到，在手性磁体FeCoSi薄膜中，无外场条件下，内部磁畴结构会呈现出条带状的螺旋条带。而在垂直薄膜方向上外加一个适当大小的磁场时，螺旋条带转变成了稳定的斯格明子。除了外加磁场外，为了进一步实现斯格明子在器件中的应用，人们采用了多种方法来产生、调控和驱动斯格明子。电流就是其中一个重要的手段。Zhang[17]等人理论证明了铁磁材料中的自旋转移矩效应。Iwasaki[29,30]等人的模拟结果发现，由于自旋转移矩效应，手性磁体中的斯格明子可以在自旋极化电流的驱动下移动。此后，Woo[22]等人在实验中?
【参考文献】：
期刊论文
[1]锰氧化物纳米线中不均匀应变诱发的磁涡旋团簇（英文）[J]. Iftikhar Ahmed Malik,黄厚兵,王煜,王学云,崔晓,孙元伟,Rizwan Ullah,张跃林,王静,Muhammad Abdullah Malik,Irfan Ahmed,熊昌民,Simone Finizio,Mathias Kl?ui,高鹏,王杰,张金星. Science Bulletin. 2020(03)
[2]可控氧化方法制备的锰氧化物中隐藏的金属-绝缘体转变研究（英文）[J]. 宋创业,Iftikhar Ahmed Malik,李梦蕾,张庆华,王立辰,王静,陈荣艳,郑仁奎,董帅,谷林,段文晖,南策文,张金星. Science China Materials. 2019(04)
[3]多铁性磁电器件研究进展[J]. 俞斌,胡忠强,程宇心,彭斌,周子尧,刘明. 物理学报. 2018(15)
[4]磁性斯格明子:拓扑磁性的展现[J]. 栗佳. 物理. 2017(05)
[5]材料微结构演化的相场模拟[J]. 王杰,李欣凯,刘畅,石以诺. 固体力学学报. 2016(01)
[6]磁性材料的磁结构、磁畴结构和拓扑磁结构[J]. 张志东. 物理学报. 2015(06)
本文编号：3267180
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