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重金属/铁磁薄膜体系中磁斯格明子的研究

秦兆刚  
【摘要】:磁性斯格明子具有在超低电流密度下快速运动的特点,所以在未来储存器件中具有潜在的应用价值。目前磁性斯格明子的研究面临如下挑战:在室温以及零外磁场条件下难以获得可以长时间稳定存在的斯格明子相;缺乏有效控制磁性斯格明子大小的方法;磁性斯格明子在实际电流驱动下运动速度较低。针对以上问题,本论文开展了重金属/铁磁薄膜体系中磁斯格明子的研究,获得的主要结果如下:1)实验上实现了磁性斯格明子的产生。分别在Pt/Co/Ni/IrMn和Ta/CoFeB/MgO体系产生了室温下的斯格明子相。首先借助磁力显微镜在外加垂直磁场存在的条件下在弱垂直磁各向异性的Pt/Co/Ni/IrMn体系观察到了斯格明子。然后利用同样的方法在具有强垂直磁各向异性的Ta/CoFeB/MgO体系中也成功观察到了斯格明子的出现。同时注意到磁性探针本身杂散磁场的效应,并利用这种效应成功的借助磁性探针产生了剩磁态的磁性斯格明子。实验结果表明利用这种方式产生的斯格明子可以在室温下稳定存在。最后,通过对样品事先施加一个倾斜的外磁场成功的在室温和无外磁场条件下观察到了磁性斯格明子的“点阵”结构。每个斯格明子外围都趋向于有六个斯格明子包裹。测试结果表明斯格明子的这种“点阵”结构非常稳定,甚至可以在室温条件下存在30天以上;此外变温测试结果表明这种“点阵”结构可以在一定程度上耐受350 K的高温。2)利用微磁学的方法模拟了磁性斯格明子在多层膜中的结构。结果显示在多层膜体系Ta/CoFeB/MgO中斯格明子呈现出一种奈尔-布洛赫混合型结构。在多层膜的顶部和底部几层磁矩结构呈现奈尔型,然后逐渐过渡在中间层呈现一种布洛赫结构。这促进了我们对斯格明子三维结构的了解。进一步,发现通过改变外磁场的方向以及大小可以去有效的控制斯格明子的大小。3)磁性斯格明子的调控。利用Ta/CoFeB/MgO体系,研究了重金属层的厚度对斯格明子大小的影响。保持Dzyaloshinskii–Moriya相互作用常数D和交换常数A不变,在一定的范围内通过改变重金属层的厚度,去调节垂直磁各向异性常数K的大小。实验上选择了t_(Ta)=1.0,1.8,2.5以及5.0 nm四个体系,t_(Ta)=1.0 nm体系垂直各向异性常数最大为2.4×10~5 J/m~3,斯格明子的平均直径达到了160 nm,单个直径甚至可以达到100 nm以下。在不利用外磁场的情况下成功、有效地调控了磁性斯格明子的大小。另外,通过调节CoFeB的厚度,实现了无序的斯格明子态(斯格明子玻璃态)到多畴的斯格明子“点阵”态的转变。铁磁层更厚的样品界面更加光滑,缺陷较少,更加有利于斯格明子有序态的形成。最后,利用外加倾斜磁场实现了磁性斯格明子在“点阵”中的“翻转”。实验和微磁学模拟工作都表明这种翻转来自于斯格明子的消失以及新的极化相反的斯格明子在“点阵”间隙的成核长大。


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