基于铁磁斯格明子的二极管的微磁学研究
发布时间：2022-01-03 11:08
传统的电子技术面临着许多挑战,如设备的可扩展性和性能的提高。自旋电子学因其特殊的自旋特性而拥有大量的支持者,并且有望促进电子器件进入下一个时代。磁性斯格明子是一种拓扑稳定的纳米量级的磁化构型。它具有体积小、稳定性好、驱动电流阈值低、可多场调控等优点,成为了下一代电子器件的基础。然而,铁磁斯格明子在运动过程中会受到马格努斯力的作用,使其在垂直于驱动力的方向上产生横向运动,从而导致斯格明子在样品边缘被破坏。本文介绍了基于铁磁斯格明子的二极管的微磁学研究,提出了一种能有效抑制斯格明子横向漂移并实现了斯格明子单向运动的二极管模型。在此,我们通过计算表明由电压控制磁各向异性效应（VCMA）形成的高垂直磁晶各向异性（PMA）的赛道边缘,不仅可以使斯格明子沿纳米赛道安全地运动,还可以提高斯格明子的运动速度。相比于未施加电压时,斯格明子的速度至少提高11.66%。另一方面,我们发现在纳米赛道边缘上通过施加电压形成一个PMA较高的局部区域,可以实现斯格明子的单向运动。此外,我们展示了一个类似于PN结的基于铁磁斯格明子的二极管原型,其还能实现赛道存储器与二极管的功能转换。本文的研究结果可为设计基于斯格明子...
【文章来源】：四川师范大学四川省
【文章页数】：55 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
五种基本的磁结构[2]
绪论7在铁磁性物质中，相邻原子的电子自旋存在着一种很强的交换相互作用，使近邻原子的自旋磁矩取向相同，产生自发磁化。但是所有铁磁体都有一定的大小和形状，交换相互作用引起的自发磁化必定会在两端产生磁荷堆积，导致退磁场增大。为了减小退磁能，晶体内的自旋取向产生区域性分布，通常称为分畴。磁矩取向相同的区域被称为磁畴。一般来说，磁畴的宽度大致是10-3cm，其中约有1014个原子[4]。其次，晶体中应力分布不均匀也会使磁矩分畴，在应力快速变化的位置，磁矩方向也会变化。另外，相邻区域的自旋取向并不相同，如图1.2所示。正是由于磁畴与磁畴之间的自旋取向不同，铁磁体在没有外场时虽然磁性较强，但对外不显示磁性。图1.2磁畴结构示意图然而，由于交换相互作用，相邻电子的自旋取向的夹角越小，交换能越小，磁化构形越稳定。因此，各个磁畴交界面附近的磁矩并不是突然变化的，是依据能量最低原理而存在一个连续变化的部分，约为103原子数量级宽度，称为磁畴壁。按照畴壁内磁矩方向的转动规律不同，将畴壁分为布洛赫壁（BlochDomainwall）和奈尔壁（NéelDomainwall）[2,5]，如图1.3所示。布洛赫壁中的磁矩始终在平行于畴壁的平面内转动，见图1.3（a），而奈尔壁的磁矩如图3（b）所示，是在垂直于畴壁的平面内转动。在三维体材料中，为了避免在畴壁两侧堆积磁荷增加退磁能，畴壁通常为布洛赫壁。但在二维膜材料中，奈尔通过计算发现薄膜的厚度为大块样品的1/5，畴壁能约提高了4倍。此时，奈尔壁的自由能比布洛赫壁更小，更稳定。畴壁除了按磁矩转动的方式分类外，还可以按照磁矩转动的角度分为90°畴壁、180°畴壁等。
四川师范大学硕士学位论文8图1.3磁畴结构示意图。(a)布洛赫型，(b)奈尔型。1.3.2特殊的畴壁结构：斯格明子1962年，斯格明子（Skyrmion）模型的概念被T.H.R.Skyrme在核物理领域提出[23]。之后，此概念被推广到基本粒子、玻色-爱因斯坦凝聚体、液晶等诸多领域。迄今为止，有关磁性系统中斯格明子的研究大致经历了三个阶段。第一阶段主要是理论预测阶段[24-28]。1989年，Bogdanov和Yablonskiǐ首次预测了在磁性材料中存在手性磁性斯格明子[24]。1994年，Bogdanov和Hubert从理论上研究了具有Dzyaloshinskii-Moriya(DM)相互作用和易轴的磁性材料中斯格明子的结构[27,28]。2001年，Bogdanov和Rler预测斯格明子会存在于手对称性破坏的磁性薄膜和多层膜中[25]。第二阶段主要是实验阶段[26,29-36]，理论上侧重研究斯格明子的动力学特征。2009年，Mühlbauer等人首次在实验中用中子散射的方法在温度为29K下的非对称的手性磁体MnSi中探测到斯格明子晶体相[37]。2010年，Yu等人用洛仑兹显微镜第一次在25K下的Fe1-xCoxSi薄膜中观测到实空间的斯格明子晶体[38]。2013年，N.Romming等人第一次实现对单个斯格明子可控的产生、探测和删除[39]。两年之后，OlivierBoulle等人在无外场和室温的条件下纳米量级的Pt/Co/MgO薄膜上探测到了斯格明子[40]。2015年，杜海峰等人首次利用传统电学方法探测到单个斯格明子的产生与湮灭过程[41]。除此之外，在2010年和2017年分别实现了电流和局域电场对斯格明子的操控[42,43]。第三阶段主要是在理论上对斯格明子进行应用开发（逻辑门[44-47]、类晶体管[48-50]、赛道存储器[51-54]、神经元器件[55-58]等）以及不同磁系统中相关的磁结构（反铁磁斯格明子、meron等）[59]的研究。关于应用方面在本文第四部分的引言中详细叙述，其他?
【参考文献】：
期刊论文
[1]微磁动力学的新进展[J]. 严鹏,王向荣. 物理学进展. 2011(03)
[2]磁学的发展与重要磁性材料的应用[J]. 胡双锋,黄尚宇,周玲,吕书林. 稀有金属材料与工程. 2007(S3)
本文编号：3566168
【文章来源】：四川师范大学四川省
【文章页数】：55 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
五种基本的磁结构[2]
绪论7在铁磁性物质中，相邻原子的电子自旋存在着一种很强的交换相互作用，使近邻原子的自旋磁矩取向相同，产生自发磁化。但是所有铁磁体都有一定的大小和形状，交换相互作用引起的自发磁化必定会在两端产生磁荷堆积，导致退磁场增大。为了减小退磁能，晶体内的自旋取向产生区域性分布，通常称为分畴。磁矩取向相同的区域被称为磁畴。一般来说，磁畴的宽度大致是10-3cm，其中约有1014个原子[4]。其次，晶体中应力分布不均匀也会使磁矩分畴，在应力快速变化的位置，磁矩方向也会变化。另外，相邻区域的自旋取向并不相同，如图1.2所示。正是由于磁畴与磁畴之间的自旋取向不同，铁磁体在没有外场时虽然磁性较强，但对外不显示磁性。图1.2磁畴结构示意图然而，由于交换相互作用，相邻电子的自旋取向的夹角越小，交换能越小，磁化构形越稳定。因此，各个磁畴交界面附近的磁矩并不是突然变化的，是依据能量最低原理而存在一个连续变化的部分，约为103原子数量级宽度，称为磁畴壁。按照畴壁内磁矩方向的转动规律不同，将畴壁分为布洛赫壁（BlochDomainwall）和奈尔壁（NéelDomainwall）[2,5]，如图1.3所示。布洛赫壁中的磁矩始终在平行于畴壁的平面内转动，见图1.3（a），而奈尔壁的磁矩如图3（b）所示，是在垂直于畴壁的平面内转动。在三维体材料中，为了避免在畴壁两侧堆积磁荷增加退磁能，畴壁通常为布洛赫壁。但在二维膜材料中，奈尔通过计算发现薄膜的厚度为大块样品的1/5，畴壁能约提高了4倍。此时，奈尔壁的自由能比布洛赫壁更小，更稳定。畴壁除了按磁矩转动的方式分类外，还可以按照磁矩转动的角度分为90°畴壁、180°畴壁等。
四川师范大学硕士学位论文8图1.3磁畴结构示意图。(a)布洛赫型，(b)奈尔型。1.3.2特殊的畴壁结构：斯格明子1962年，斯格明子（Skyrmion）模型的概念被T.H.R.Skyrme在核物理领域提出[23]。之后，此概念被推广到基本粒子、玻色-爱因斯坦凝聚体、液晶等诸多领域。迄今为止，有关磁性系统中斯格明子的研究大致经历了三个阶段。第一阶段主要是理论预测阶段[24-28]。1989年，Bogdanov和Yablonskiǐ首次预测了在磁性材料中存在手性磁性斯格明子[24]。1994年，Bogdanov和Hubert从理论上研究了具有Dzyaloshinskii-Moriya(DM)相互作用和易轴的磁性材料中斯格明子的结构[27,28]。2001年，Bogdanov和Rler预测斯格明子会存在于手对称性破坏的磁性薄膜和多层膜中[25]。第二阶段主要是实验阶段[26,29-36]，理论上侧重研究斯格明子的动力学特征。2009年，Mühlbauer等人首次在实验中用中子散射的方法在温度为29K下的非对称的手性磁体MnSi中探测到斯格明子晶体相[37]。2010年，Yu等人用洛仑兹显微镜第一次在25K下的Fe1-xCoxSi薄膜中观测到实空间的斯格明子晶体[38]。2013年，N.Romming等人第一次实现对单个斯格明子可控的产生、探测和删除[39]。两年之后，OlivierBoulle等人在无外场和室温的条件下纳米量级的Pt/Co/MgO薄膜上探测到了斯格明子[40]。2015年，杜海峰等人首次利用传统电学方法探测到单个斯格明子的产生与湮灭过程[41]。除此之外，在2010年和2017年分别实现了电流和局域电场对斯格明子的操控[42,43]。第三阶段主要是在理论上对斯格明子进行应用开发（逻辑门[44-47]、类晶体管[48-50]、赛道存储器[51-54]、神经元器件[55-58]等）以及不同磁系统中相关的磁结构（反铁磁斯格明子、meron等）[59]的研究。关于应用方面在本文第四部分的引言中详细叙述，其他?
【参考文献】：
期刊论文
[1]微磁动力学的新进展[J]. 严鹏,王向荣. 物理学进展. 2011(03)
[2]磁学的发展与重要磁性材料的应用[J]. 胡双锋,黄尚宇,周玲,吕书林. 稀有金属材料与工程. 2007(S3)
本文编号：3566168
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/benkebiyelunwen/3566168.html
