磁斯格明子动力学的微磁学模拟研究
发布时间：2021-03-23 14:33
磁斯格明子（magnetic skyrmion）是一种具有准粒子特性的拓扑自旋结构。这种新型的磁自旋结构由于空间尺寸较小和驱动其运动的临界电流密度较低,在下一代信息存储器和自旋电子学器件中有很大的应用潜力,如赛道存储器、微波探测器、逻辑门器件和自旋纳米振荡器等。有效可控地操纵skyrmion运动无论在理论研究方面还是在实际应用上都具有非常重要的物理意义。鉴于此,本论文主要采用微磁学模拟,尝试用多种方法调控skyrmion运动,并结合理论模型分析了模拟结果。论文的主要内容如下:首先,我们研究磁各向异性梯度对skyrmion运动的影响。通过在电极/磁性多层膜/斜坡绝缘层/电极结构中利用电压调控磁各向异性效应,在磁性层中产生磁各向异性梯度。结果发现,该磁各向异性梯度能够驱动skyrmion在磁性纳米条带中运动。随着磁各向异性梯度从-1.0×1010 J/m4增大到-8.0×1010 J/m4,skyrmion运动速度从0.1 m/s增大到23 m/s。磁各向异性梯度和平面内外磁场可以共同有效地调控skyr...
【文章来源】：兰州大学甘肃省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：128 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
（a）MnSi磁相图；（b）T=26.45K，B=0.164T时，A-相中子散射强度图谱[5]
兰州大学博士研究生学位论文磁斯格明子动力学的微磁学模拟研究3图1-2（a）FeCoSi单晶薄膜中skyrmion晶格自旋结构，其中垂直外磁场强度为50mT[7]；（b）自旋极化扫描隧道显微镜观测Ir(111)/Fe[17]，插图为skyrmion自旋极化扫描隧道显微镜模拟图；（c）Ir(111)/PdFe薄膜在不同外磁场下(U=+50mV,I=0.2nA)，呈现不同磁矩分布状态[19]：螺旋自旋态和skyrmion态共存；skyrmion态；铁磁态；（d）Ir(111)/PdFe薄膜中两个skyrmion的磁信号[20]，其中U=+250mV,I=1nA,T=4.2K；（e）Fe/Ni薄膜在室温下呈现skyrmion相[21]；（f）Ir/Co/Pt薄膜在室温和68mT外磁场的实验条件下，呈现直径少于100nm的skyrmion[22]；（g）Fe/Co/MgO薄膜在室温和零外磁场条件下，呈现skyrmion态[23]；（h）Pt/Co/Ru多层薄膜在室温下，呈现反铁磁skyrmion态[25]。2015年，ChenG.等人利用自旋极化低能电子显微镜对更复杂的多层金属堆叠结构Fe/Ni/Cu/Ni/Cu(001)多层薄膜进行研究，在室温和零外磁场条件下可以观测到skyrmion，如图1-2（e）所示[21]。该结构中skyrmion直径约400nm，比实际应用中理想的skyrmion尺寸稍微大一些。但是该方法在基于skyrmion的自旋电子器件中有很大应用潜能。由于Ir/Co界面和Co/Pt界面均有DMI效应，Moreau-Luchaire等人在(Ir/Co/Pt)10多层薄膜中观测到直径小于100nm的skyrmion自旋结构，如图1-2（f）所示[22]。2016年，Boulle等人通过光电子显微镜证实了在常温和零外场的情况下，skyrmion稳定存在于溅射Pt/Co/MgO多层薄膜[23]，如图1-2（g）所示。Woo等人在常温和垂直外磁场的实验条件下，在Pt/Co/Ta与Pt/CoFeB/MgO体系中观测到电流驱动skyrmion运动[24]。2019年，LegrandW.等人证实反铁磁skyrmion稳定存在于溅射Pt/Co/Ru多层
兰州大学博士研究生学位论文磁斯格明子动力学的微磁学模拟研究512=12(×12)(1-2)式中z是垂直磁性层界面的单位矢量，12是原子1位指向原子2位的单位矢量。当12>0，DMI趋向于从1到2逆时针旋转[17,32]；当12<0，DMI趋向于从1到2顺时针旋转。如果1和2初始态是平行，强DMI效果（相对于对称性交换作用）可以导致1和2围绕12有相对倾斜。DMI对磁性系统单位体积能量表达式为[9]=+(1-3)其中D是DMI常数。在具有界面DMI的磁性薄膜中，D与薄膜厚度成反比：[9]图1-3（a）由两个原子和另外一个具有强自旋轨道耦合原子组成的三角关系之间间接交换作用产生的DMI示意图。[9,33]；（b）由铁磁金属（灰色）和另外一个具有强自旋轨道耦合的金属（蓝色）界面产生的DMI示意图。该DMI矢量D12垂直于三角形平面；由于强自旋轨道耦合只存在于底层金属层中，该DMI不能被来源于对称三角形的DMI补偿[9,34]对于金属系统，手性相互作用首先体现在无序合金中。[9,33]。该材料中具有大自旋轨道耦合的原子促使两个磁性原子间产生DMI。如图1-3（a）所示，此时12垂直这三个原子组成的三角形所在的平面[9,33]。此外，DMI被预言存在于同样对称性的磁性薄膜和具有大自旋轨道耦合作用的金属的界面[9,34]。在磁性薄膜（比如Co）和具有强自旋轨道耦合的金属（比如Pt）组成的系统中，界面DMI可看做来源于Co-Pt-Co三角形；12在界面的平面内并且垂直于连接1和2的矢量，如图1-3（b）所示[9,34]不同类型的金属薄膜/重金属界面的DMI被进行理论计算。[9,36-38]。Ir(111)/Fe单层薄膜中Fe自旋对的12为-1.7mV[17]；Pt(111)/Co单原子层的12为1.8mV[38]；三层Ir(111)基底上生长Fe单层的12为-1.9mV[32]；三层Pt(111)基底上生长Co单层的12为1.7mV[32]。图1-4（a）表示了在不同5d金属基底上生长?
【参考文献】：
期刊论文
[1]磁性斯格明子的多场调控研究[J]. 董博闻,张静言,彭丽聪,何敏,张颖,赵云驰,王超,孙阳,蔡建旺,王文洪,魏红祥,沈保根,姜勇,王守国. 物理学报. 2018(13)
本文编号：3095965
【文章来源】：兰州大学甘肃省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：128 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
（a）MnSi磁相图；（b）T=26.45K，B=0.164T时，A-相中子散射强度图谱[5]
兰州大学博士研究生学位论文磁斯格明子动力学的微磁学模拟研究3图1-2（a）FeCoSi单晶薄膜中skyrmion晶格自旋结构，其中垂直外磁场强度为50mT[7]；（b）自旋极化扫描隧道显微镜观测Ir(111)/Fe[17]，插图为skyrmion自旋极化扫描隧道显微镜模拟图；（c）Ir(111)/PdFe薄膜在不同外磁场下(U=+50mV,I=0.2nA)，呈现不同磁矩分布状态[19]：螺旋自旋态和skyrmion态共存；skyrmion态；铁磁态；（d）Ir(111)/PdFe薄膜中两个skyrmion的磁信号[20]，其中U=+250mV,I=1nA,T=4.2K；（e）Fe/Ni薄膜在室温下呈现skyrmion相[21]；（f）Ir/Co/Pt薄膜在室温和68mT外磁场的实验条件下，呈现直径少于100nm的skyrmion[22]；（g）Fe/Co/MgO薄膜在室温和零外磁场条件下，呈现skyrmion态[23]；（h）Pt/Co/Ru多层薄膜在室温下，呈现反铁磁skyrmion态[25]。2015年，ChenG.等人利用自旋极化低能电子显微镜对更复杂的多层金属堆叠结构Fe/Ni/Cu/Ni/Cu(001)多层薄膜进行研究，在室温和零外磁场条件下可以观测到skyrmion，如图1-2（e）所示[21]。该结构中skyrmion直径约400nm，比实际应用中理想的skyrmion尺寸稍微大一些。但是该方法在基于skyrmion的自旋电子器件中有很大应用潜能。由于Ir/Co界面和Co/Pt界面均有DMI效应，Moreau-Luchaire等人在(Ir/Co/Pt)10多层薄膜中观测到直径小于100nm的skyrmion自旋结构，如图1-2（f）所示[22]。2016年，Boulle等人通过光电子显微镜证实了在常温和零外场的情况下，skyrmion稳定存在于溅射Pt/Co/MgO多层薄膜[23]，如图1-2（g）所示。Woo等人在常温和垂直外磁场的实验条件下，在Pt/Co/Ta与Pt/CoFeB/MgO体系中观测到电流驱动skyrmion运动[24]。2019年，LegrandW.等人证实反铁磁skyrmion稳定存在于溅射Pt/Co/Ru多层
兰州大学博士研究生学位论文磁斯格明子动力学的微磁学模拟研究512=12(×12)(1-2)式中z是垂直磁性层界面的单位矢量，12是原子1位指向原子2位的单位矢量。当12>0，DMI趋向于从1到2逆时针旋转[17,32]；当12<0，DMI趋向于从1到2顺时针旋转。如果1和2初始态是平行，强DMI效果（相对于对称性交换作用）可以导致1和2围绕12有相对倾斜。DMI对磁性系统单位体积能量表达式为[9]=+(1-3)其中D是DMI常数。在具有界面DMI的磁性薄膜中，D与薄膜厚度成反比：[9]图1-3（a）由两个原子和另外一个具有强自旋轨道耦合原子组成的三角关系之间间接交换作用产生的DMI示意图。[9,33]；（b）由铁磁金属（灰色）和另外一个具有强自旋轨道耦合的金属（蓝色）界面产生的DMI示意图。该DMI矢量D12垂直于三角形平面；由于强自旋轨道耦合只存在于底层金属层中，该DMI不能被来源于对称三角形的DMI补偿[9,34]对于金属系统，手性相互作用首先体现在无序合金中。[9,33]。该材料中具有大自旋轨道耦合的原子促使两个磁性原子间产生DMI。如图1-3（a）所示，此时12垂直这三个原子组成的三角形所在的平面[9,33]。此外，DMI被预言存在于同样对称性的磁性薄膜和具有大自旋轨道耦合作用的金属的界面[9,34]。在磁性薄膜（比如Co）和具有强自旋轨道耦合的金属（比如Pt）组成的系统中，界面DMI可看做来源于Co-Pt-Co三角形；12在界面的平面内并且垂直于连接1和2的矢量，如图1-3（b）所示[9,34]不同类型的金属薄膜/重金属界面的DMI被进行理论计算。[9,36-38]。Ir(111)/Fe单层薄膜中Fe自旋对的12为-1.7mV[17]；Pt(111)/Co单原子层的12为1.8mV[38]；三层Ir(111)基底上生长Fe单层的12为-1.9mV[32]；三层Pt(111)基底上生长Co单层的12为1.7mV[32]。图1-4（a）表示了在不同5d金属基底上生长?
【参考文献】：
期刊论文
[1]磁性斯格明子的多场调控研究[J]. 董博闻,张静言,彭丽聪,何敏,张颖,赵云驰,王超,孙阳,蔡建旺,王文洪,魏红祥,沈保根,姜勇,王守国. 物理学报. 2018(13)
本文编号：3095965
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教材专著
