【摘 要】
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磁斯格明子是一种拓扑保护的自旋磁结构,因其尺寸小和独特的电流驱动等特性,有望成为新一代自旋电子器件的信息载体。然而,想要将这一拓扑磁结构应用于器件,以可控的方式提升斯格明子密度,调控其成核和湮灭,以及电流驱动等问题都至关重要。众所周知,大多数的磁特性是材料本身固有的,换句话说它们很大程度上取决于材料的成分和微观结构,因此理解材料结构与磁性的关系,对于调控和制备性能优良的斯格明子材料必不可少。本论文
【基金项目】
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自然科学基金面上项目（51771085、51571104）；
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磁斯格明子是一种拓扑保护的自旋磁结构,因其尺寸小和独特的电流驱动等特性,有望成为新一代自旋电子器件的信息载体。然而,想要将这一拓扑磁结构应用于器件,以可控的方式提升斯格明子密度,调控其成核和湮灭,以及电流驱动等问题都至关重要。众所周知,大多数的磁特性是材料本身固有的,换句话说它们很大程度上取决于材料的成分和微观结构,因此理解材料结构与磁性的关系,对于调控和制备性能优良的斯格明子材料必不可少。本论文以磁性多层膜和亚铁磁合金为主要研究对象,利用球差校正透射电子显微镜解析了材料改性带来的结构改变,以此为基础构建了多层膜体系的结构模型,结合理论计算和微磁学模拟,深入探究了影响斯格明子成核、密度增加的物理机制以及微观结构与磁性之间的内在联系。从探索新型材料改性方法和探索新型拓扑磁结构的角度出发,解决了斯格明子密度较低、无法有序成核的问题,并进一步利用外场调控了亚铁磁合金中的新型拓扑磁结构。具体研究内容如下:1.研究了多层膜体系中弯曲应力对斯格明子密度的影响及其内在物理机制。利用磁控溅射的方式生长了Pt/Co/Ru多层膜样品,并对样品施加应力使其弯曲,磁成像结果表明弯曲应变影响了斯格明子密度,结合原子级分辨率的弯曲断面结构分析,发现弯曲应变大小低于1.9%时,材料表面晶粒尺寸增大且在部分区域形成了合金,为斯格明子提供了成核位点,因此斯格明子密度得到提升。结合理论模型,适当的结构弯曲提升了材料DMI强度有利于斯格明子稳定。实验揭示了应力影响斯格明子密度的微观机制,为柔性材料中斯格明子密度调控提供了思路。2.利用离子束辐照精确调控Pt/Co/Ta多层膜中斯格明子密度,并深入探究了其物理机制。利用聚焦离子辐照的方式大幅提升了Pt/Co/Ta多层膜中斯格明子的密度。在1.5×1014 Ga+/cm2的辐照剂量下,斯格明子密度最大可提升5倍,其成核磁场也有所降低。结合原子级分辨率的辐照后截面结构和理论计算结果,发现多层膜表面形成了局域化的合金（如Co3Ta、Pt3Ta）,合金相的形成降低了材料的垂直各向异性,也导致了材料结构紊乱。进一步的微磁学模拟结果验证了离子束辐照通过引起材料结构紊乱,降低了斯格明子的成核势垒,在指定位置大幅提升了斯格明子密度,为斯格明子的定点写入和密度调控提供了思路。3.在亚铁磁合金Fe70Gd30材料中观测到新型畴壁拓扑态,并在低温下探究了其原位磁化过程。室温下对Fe70Gd30施加磁场的过程中,观察到奈尔型畴壁断裂形成了麦纫链。进一步利用原位低温样品杆进行调控,在278 K时得到了线密度最大的畴壁麦纫链。对Fe70Gd30样品室温退磁场的过程中,在不同手性畴壁的交界处观测到了一特征点,结合不同角度下洛伦兹电镜成像结果,可以确认降场过程中在畴壁内部形成了奈尔型斯格明子。继续降低磁场,该拓扑磁结构沿畴壁形状在固定轨迹下运动,这一特殊的动力学行为为解决斯格明子霍尔效应提供了可能性,也为进一步扩展拓扑磁构型提供了实验基础。综上所述,我们的研究展示了两种材料改性的方法:弯曲应力和离子束辐照。实验结果表明合金晶粒尺寸的生长一定程度上导致了材料的紊乱,从而大幅提升了斯格明子密度。而Fe70Gd30中拓扑磁结构丰富的低温磁响应也验证了亚铁磁合金中外场调控的有效性。因此本文设计材料改性与外场调控的方式对斯格明子进行优化,这对于进一步实行斯格明子自旋存储器件具有指导意义。
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