磁斯格明子的透射电镜原位表征及原位样品杆的研发
发布时间：2020-11-11 00:58
磁斯格明子(magnetic skyrmion)作为一种奇异的拓扑自旋结构,凭借纳米级准粒子特性以及低电流驱动密度,有望成为新一代赛道磁存储器件的信息存储单元,近几年已成为磁学领域研究热点之一。本论文以原位透射电镜洛伦兹模式(in-situ Lorentz transmission electron microscopy,in-situ LTEM)作为主要表征手段,基于Pt/Co/Ta磁性多层膜体系调控出磁斯格明子密度高尺寸小的优质薄膜结构,并在一种新的材料体系轻稀土化合物REMn_2Ge_2(RE=Ce,Pr,Nd)家族中发现室温下可稳定存在的斯格明子磁泡。此外,为丰富对磁斯格明子的表征手段,我们还设计了两种原位表征工具,即三维重构样品杆和多电极透射电镜原位电学样品杆,使磁斯格明子在透射电镜下三维磁畴结构的重构以及电流驱动的实现成为可能。本论文的主要研究内容及成果概括如下:1.在Pt/Co/Ta多层膜体系中调控出磁斯格明子密度高尺寸小的优质薄膜结构,并深入探究了磁斯格明子密度和多层膜內禀性质之间的关系。调控出具有高密度小尺寸磁斯格明子的结构为Ta(5nm)/[Pt(3nm)/Co(2.1nm)/Ta(1.9nm)]_(12)的最优质磁性多层膜。在一定外加磁场调控下该多层膜内磁斯格明子密度最高可达45μm~(-2),且尺寸在50–80 nm之间。理论计算表明,密度调控的理论机制是对磁性层厚度的调控实质上改变了磁性多层膜的磁各向异性以及DMI的大小,进而影响了磁斯格明子的密度变化。该研究为高密度存储器件的开发在实际应用和理论方面均可提供一定的指导作用。2.轻稀土化合物REMn_2Ge_2(RE=Ce,Pr,Nd)家族中斯格明子磁泡的研究。首次在该材料体系中发现室温下可稳定存在的斯格明子磁泡并探究了其温度稳定性,发现三种材料中的斯格明子磁泡均可在极宽温域内稳定存在。利用场冷调控的方法,在NdMn_2Ge_2样品实现了宽温域(260 K-320 K)、零磁场且高密度的斯格明子磁泡六角晶格密堆积排布,并通过倾转样品证明了其结构的稳定性。3.三维重构样品杆和多电极透射电镜原位电学样品杆的设计研制。其中,多电极透射电镜原位电学样品杆的可拆卸多电极PCB电路板设计不仅可满足更加复杂原位实验的条件需求还大大降低实验成本,三维重构样品杆在倾转角范围以及可观察面积关键性能参数上有所提升。透射电子显微镜洛伦兹模式下实现磁畴结构尤其是磁斯格明子的三维结构表征以及电流驱动提供实用性更强的原位表征工具。
【学位单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：O469
【部分图文】：
兰州大学硕士学位论文磁斯格明子的透射电镜原位表征及原位样品杆的研发1第一章绪论1.1引言磁斯格明子一跃成为磁学和自旋电子学领域的研究热点，根本的原因是磁性存储器件的不断发展。1988年，巨磁阻(giantmagnetoresistance,GMR)效应的发现[1]使人们意识到电子的两种內禀属性，即自旋和电荷，之间具有强烈的耦合作用，磁场作用于电子的自旋会影响到电荷的输运。基于GMR效应被研发出的机械硬盘虽然目前被广泛应用，但仍暴露出许多不足，例如读写速度低、存储密度有限、功耗大及热干扰效应等等。如今信息时代数据的指数型增长，显然旧式的磁存储方式越来越不能满足要求。2008年Parkin等人提出基于自旋转移力矩(spintransfertorque,STT)的赛道存储概念[2]，即利用自旋极化电流驱动畴壁运动来实现信息存储，见图1.1(a)。与机械硬盘相比，三维赛道的设计提高了存储密度，电流驱动大幅提升了读写速度，但1011-1012A/m2的电流密度[3,4]仍导致大额功耗的产生。而磁斯格明子的出现恰好解决了这一问题并伴随诸多优点，2013年Fert等人提出基于磁斯格明子的赛道存储器概念[5]，见图1.1(b)。它仅有的106A/m2的驱动电流密度[6]恰好解决了大功耗问题，并且由于磁斯格明子本身的纳米级小尺寸和拓扑保护属性，进一步提升了存储密度并避免了磁畴壁容易被杂质缺陷钉扎的影响。也正是人们看到磁斯格明子可作为新型赛道存储器件的信息载体这一潜在的巨大应用前景，使得学术圈中磁斯格明子的研究浪潮势头正盛。图1.1(a)基于畴壁运动的赛道存储器，(b)磁斯格明子赛道存储器[5]纵观磁斯格明子的研究历程会发现，自从2009年首次利用中子衍射(SANS)
将分别对磁斯格明子和透射电镜洛伦兹模式下的原位表征技术进行概述，并阐述本文立意。1.2磁斯格明子概述1.2.1背景简介斯格明子一词最早来源于粒子物理领域。物理学家TonySkyrme为解释场论中的强子模型提出一种拓扑孤子场构型[18]，后来人们为了纪念他的贡献将该场构型命名为斯格明子。而后随着研究的不断推进，凝聚态物理领域也出现了斯格明子的身影。具体到磁学领域，我们称之为磁斯格明子[19]。磁斯格明子是一种受拓扑保护的奇异的非共线自旋结构，两种传统类型的磁斯格明子其三维球面与二维投影下的自旋结构如下图1.2所示[20]。图1.2(a)奈尔型磁斯格明子，(b)布洛赫型磁斯格明子[20]追溯其研究发展历程，我们把里程碑式的研究成果总结如图1.3。2001年Bogdanov首次预言磁斯格明子稳定存在于空间反演对称破缺的磁性薄膜中[21]
兰州大学硕士学位论文磁斯格明子的透射电镜原位表征及原位样品杆的研发3（图1.3(a)）。直至2009年S.Mühlbauer等人才利用中子衍射技术在MnSi单晶里实现了磁斯格明子实验上的首次观测[7]（图1.3(b)）。紧接着在2010年他们首次使用电流驱动磁斯格明子并阐述了电流与磁斯格明子之间的相互作用[22]（图1.3(c)）。于同年日本理化所Yu、Tokura等人利用透射电镜洛伦兹模式在FeCoSi中实现了实空间中磁斯格明子的首次观测[23]（图1.3(d)）。2011年，实验上在磁性薄膜体系Fe/Ir里也观测到了稳定存在的磁斯格明子[24]（图1.3(e)）。Fert便在2013年提出了基于磁斯格明子的隧道存储器概念[5]（图1.3(f)）。此后磁斯格明子领域的研究呈现出百花齐放态势，在诸多方面例如新材料体系的探索[25]（图1.3(i)）、电流驱动[26]（图1.3(h)）、不同拓扑态[27]（图1.3(j)）、成核与湮灭[28]（图1.3(g)）以及其他外场下对磁斯格明子的调控[29]等展开深入探索，这些工作为磁斯格明子在未来磁存储器件中的实际应用奠定了坚实的理论基矗图1.3(a)理论预言的磁斯格明子结构示意图[21]，(b)MnSi单晶中磁斯格明子相图[7]，(c)MnSi中磁斯格明子与电流相互作用示意图[22]，(d)FeCoSi中磁斯格明子的洛伦兹电镜表征[23]，(e)Fe/Ir薄膜体系中的磁斯格明子[24]，(f)磁斯格明子赛道存储示意图[5]，(g)磁斯格明子成核过程[28]，(h)室温下的电流驱动过程[26]，(i)室温下稳定存在的磁斯格明子的Fe3Sn2晶体结构示意图[25]，(j)反斯格明子的LTEM图片[27]。1.2.2拓扑态分类首先我们需要引入拓扑数的概念来描述磁斯格明子的拓扑属性[30,31]，定义公式为=14∫(×)(1.1)其中m为归一化磁矩，公式(1.1)便是描述归一化磁矩绕三维单位球体的次数
【参考文献】
本文编号：2878532
【学位单位】：兰州大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：O469
【部分图文】：
兰州大学硕士学位论文磁斯格明子的透射电镜原位表征及原位样品杆的研发1第一章绪论1.1引言磁斯格明子一跃成为磁学和自旋电子学领域的研究热点，根本的原因是磁性存储器件的不断发展。1988年，巨磁阻(giantmagnetoresistance,GMR)效应的发现[1]使人们意识到电子的两种內禀属性，即自旋和电荷，之间具有强烈的耦合作用，磁场作用于电子的自旋会影响到电荷的输运。基于GMR效应被研发出的机械硬盘虽然目前被广泛应用，但仍暴露出许多不足，例如读写速度低、存储密度有限、功耗大及热干扰效应等等。如今信息时代数据的指数型增长，显然旧式的磁存储方式越来越不能满足要求。2008年Parkin等人提出基于自旋转移力矩(spintransfertorque,STT)的赛道存储概念[2]，即利用自旋极化电流驱动畴壁运动来实现信息存储，见图1.1(a)。与机械硬盘相比，三维赛道的设计提高了存储密度，电流驱动大幅提升了读写速度，但1011-1012A/m2的电流密度[3,4]仍导致大额功耗的产生。而磁斯格明子的出现恰好解决了这一问题并伴随诸多优点，2013年Fert等人提出基于磁斯格明子的赛道存储器概念[5]，见图1.1(b)。它仅有的106A/m2的驱动电流密度[6]恰好解决了大功耗问题，并且由于磁斯格明子本身的纳米级小尺寸和拓扑保护属性，进一步提升了存储密度并避免了磁畴壁容易被杂质缺陷钉扎的影响。也正是人们看到磁斯格明子可作为新型赛道存储器件的信息载体这一潜在的巨大应用前景，使得学术圈中磁斯格明子的研究浪潮势头正盛。图1.1(a)基于畴壁运动的赛道存储器，(b)磁斯格明子赛道存储器[5]纵观磁斯格明子的研究历程会发现，自从2009年首次利用中子衍射(SANS)
将分别对磁斯格明子和透射电镜洛伦兹模式下的原位表征技术进行概述，并阐述本文立意。1.2磁斯格明子概述1.2.1背景简介斯格明子一词最早来源于粒子物理领域。物理学家TonySkyrme为解释场论中的强子模型提出一种拓扑孤子场构型[18]，后来人们为了纪念他的贡献将该场构型命名为斯格明子。而后随着研究的不断推进，凝聚态物理领域也出现了斯格明子的身影。具体到磁学领域，我们称之为磁斯格明子[19]。磁斯格明子是一种受拓扑保护的奇异的非共线自旋结构，两种传统类型的磁斯格明子其三维球面与二维投影下的自旋结构如下图1.2所示[20]。图1.2(a)奈尔型磁斯格明子，(b)布洛赫型磁斯格明子[20]追溯其研究发展历程，我们把里程碑式的研究成果总结如图1.3。2001年Bogdanov首次预言磁斯格明子稳定存在于空间反演对称破缺的磁性薄膜中[21]
兰州大学硕士学位论文磁斯格明子的透射电镜原位表征及原位样品杆的研发3（图1.3(a)）。直至2009年S.Mühlbauer等人才利用中子衍射技术在MnSi单晶里实现了磁斯格明子实验上的首次观测[7]（图1.3(b)）。紧接着在2010年他们首次使用电流驱动磁斯格明子并阐述了电流与磁斯格明子之间的相互作用[22]（图1.3(c)）。于同年日本理化所Yu、Tokura等人利用透射电镜洛伦兹模式在FeCoSi中实现了实空间中磁斯格明子的首次观测[23]（图1.3(d)）。2011年，实验上在磁性薄膜体系Fe/Ir里也观测到了稳定存在的磁斯格明子[24]（图1.3(e)）。Fert便在2013年提出了基于磁斯格明子的隧道存储器概念[5]（图1.3(f)）。此后磁斯格明子领域的研究呈现出百花齐放态势，在诸多方面例如新材料体系的探索[25]（图1.3(i)）、电流驱动[26]（图1.3(h)）、不同拓扑态[27]（图1.3(j)）、成核与湮灭[28]（图1.3(g)）以及其他外场下对磁斯格明子的调控[29]等展开深入探索，这些工作为磁斯格明子在未来磁存储器件中的实际应用奠定了坚实的理论基矗图1.3(a)理论预言的磁斯格明子结构示意图[21]，(b)MnSi单晶中磁斯格明子相图[7]，(c)MnSi中磁斯格明子与电流相互作用示意图[22]，(d)FeCoSi中磁斯格明子的洛伦兹电镜表征[23]，(e)Fe/Ir薄膜体系中的磁斯格明子[24]，(f)磁斯格明子赛道存储示意图[5]，(g)磁斯格明子成核过程[28]，(h)室温下的电流驱动过程[26]，(i)室温下稳定存在的磁斯格明子的Fe3Sn2晶体结构示意图[25]，(j)反斯格明子的LTEM图片[27]。1.2.2拓扑态分类首先我们需要引入拓扑数的概念来描述磁斯格明子的拓扑属性[30,31]，定义公式为=14∫(×)(1.1)其中m为归一化磁矩，公式(1.1)便是描述归一化磁矩绕三维单位球体的次数
【参考文献】
相关期刊论文 前3条
1 刘海华;车仁超;王志峰;段晓峰;;利用自制可加磁场样品台对链状位移型磁畴壁的原位洛伦兹电子显微术研究[J];电子显微学报;2011年02期
2 余东海;王成勇;成晓玲;宋月贤;;磁控溅射镀膜技术的发展[J];真空;2009年02期
3 寇雷刚，陈建文;电子全息术[J];物理学进展;1995年04期
相关博士学位论文 前1条
1 彭丽聪;磁性斯格明子的洛伦兹电子显微学研究[D];中国科学院大学(中国科学院物理研究所);2018年
相关硕士学位论文 前2条
1 郑修军;电镜原位多场耦合样品台的研发与应用[D];兰州大学;2017年
2 马传生;坡莫合金薄膜中各种缺陷对磁化反转钉扎作用的Lorentz电子显微术研究[D];兰州大学;2012年
本文编号：2878532
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/benkebiyelunwen/2878532.html
