周期性应变调控斯格明子在纳米条带中的运动

斯格明子是一种拓扑稳定的手性自旋结构,凭借其在磁性赛道存储器和自旋电子器件方面的巨大应用潜力而受到研究人员的广泛关注.为了使斯格明子能够更好地应用于磁性赛道存储器,研究斯格明子在纳米条带中的运动行为就变得非常重要.本文主要研究了存在周期性应变的纳米条带中铁磁斯格明子和反铁磁斯格明子在电流驱动下的运动行为.研究结果表明:周期性应变使得驱动电流存在一个临界电流密度,只有当电流密度大于临界电流密度时斯格明子才能够在纳米条带中连续移动.临界电流密度随应变振幅的增加而增加,随应变周期的增加而减小.铁磁斯格明子在周期性应变的调制下会产生周期性运动,轨迹为波浪式,其横向速度受到边界的影响,而纵向速度则与应变梯度成正比.反铁磁斯格明子在周期性应变调控下运动方向不变,但其移动速度则剧烈变化.     

纳米结构中磁斯格明子的原位电子全息研究

斯格明子(skyrmion)磁序结构与晶体微观结构的关联是新型功能磁材料和器件研发的重要问题.本文利用微纳加工技术制备了形状、尺寸均可控的磁纳米结构,通过电子全息术观察定量地分析了斯格明子磁序结构,确定了材料晶格缺陷和空间受限效应对斯格明子磁结构形成和稳定机制的影响,系统地分析了斯格明子基元的磁功能与材料微结构的关联.文中主要探讨了两个问题:1)斯格明子在磁纳米结构中的空间受限效应.重点研究斯格明子磁序随外磁场和温度变化的演变规律,探索其演变过程的拓扑属性和稳定性;2)晶格缺陷对斯格明子磁结构的影响,重点考察晶界原子结构手性反转对斯格明子磁序的影响.这些研究结果可为研发以磁斯格明子为基元的磁信息存储器及自旋电子学器件提供重要实验基础.     

室温磁性斯格明子材料及其应用研究进展

磁性斯格明子是一种具有涡旋状非共线自旋结构的准粒子,具有独特的拓扑保护特性,可在极低电流驱动下运动,有望在信息技术领域获得广泛应用.从2015年开始,科学家已经发现了多种室温磁性斯格明子材料,例如斯格明子多层膜、人工斯格明子材料、β-Mn型单晶材料、中心对称材料(铁氧体、六方Ni₂In型)等.其中多层膜材料由于其制备工艺简单、可通过调节各膜层厚度优化性能、器件集成度高等优点而备受关注.这些室温磁性斯格明子材料具有涌生电动势、拓扑霍尔效应、斯格明子霍尔效应等特性,有望用来制备多种新型自旋电子器件,例如赛道存储器、微波探测器、纳米振荡器等,其中赛道存储器有望成为下一代非易失性、低能耗和高密度的存储器.本文首先介绍了磁性斯格明子的基本特性,然后综述了近年来室温磁性斯格明子材料的研究进展、制备技术及表征方法,最后简单介绍了用室温磁性斯格明子材料研制赛道存储器、微波探测器等原型器件的研究进展,展望了室温磁性斯格明子材料的未来发展趋势.     

高温度稳定性磁斯格明子的材料发现及性能调控

文章报道了阻挫型磁体Fe_3Sn_2中高温度稳定性磁斯格明子材料的发现以及利用电流实现斯格明子自旋手性翻转的一系列工作。作者首先基于合金化设计的思想,解决了晶体取向生长困难和易发生包晶反应这两个关键技术难题,生长出了高质量的Fe_3Sn_2单晶样品。通过原位洛伦兹电镜观测发现,该材料体系具有室温磁性斯格明子,并具有多种拓扑形态,而且在外部磁场作用下可以相互转化。作者进一步利用聚焦离子束(FIB)技术,采用空间几何受限方法,制备出了磁斯格明子单链排列的"赛道"纳米条带样品。实验发现,该样品中斯格明子可以在室温到630 K极宽温区内保持其尺寸及间距不变,这表明该材料中斯格明子具有极高的温度稳定性。在这些研究工作基础上,作者在"赛道"纳米条带样品中进一步实现了电流驱动的斯格明子自旋手性翻转。作者这一系列关于高温度稳定性磁斯格明子材料以及相关器件的探索工作,从材料和器件两个方面推进了磁斯格明子材料的实用化。     

磁性斯格明子的研究现状和展望

磁性斯格明子是具有拓扑保护性质的纳米尺度涡旋磁结构.斯格明子主要存在于非中心对称的手性磁性材料以及界面镜面对称性破缺的磁性薄膜材料中.因具有实空间的非平庸拓扑性,磁性斯格明子展现出丰富新奇的物理学特性,例如拓扑霍尔效应,新兴电磁动力学等,为研究拓扑自旋电子学提供了新的平台.另一方面,由于其具有尺寸小,高稳定性和易操控的特性,磁性斯格明子在未来高密度,低能耗,非易失性计算和存储器件中也具有潜在应用.现阶段的研究已经初步发现一系列磁斯格明子材料,并证明能够通过电流操控室温下稳定的磁性斯格明子,但是室温下单个斯格明子的精确产生、湮灭以及探测在实验上仍具有挑战性.本文阐述了磁性斯格明子的基础理论以及动力学研究现状,并对现有的斯格明子材料和斯格明子的产生,湮灭以及探测方法进行了总结,最后还对未来磁性斯格明子的物理理论研究以及应用发展中的挑战和机遇进行了讨论.     

磁性斯格明子的研究：从金属到半导体

在非共线磁性材料中,存在非常特殊的一类体系——斯格明子材料.由于斯格明子具有拓扑保护属性,使它能在材料中较稳定地存在.早期对于斯格明子的研究大多集中在金属合金以及金属多层膜中,由于金属体系中只能通过电流的方法对斯格明子进行调控,该过程中必然会存在能量损耗.那么寻找半导体铁电材料来实现斯格明子相,就可以通过外加电场的办法来实现调控,从而促进低能耗器件的发展.本文介绍了斯格明子材料的发展进程及2个类别,并通过介绍尖晶石系中的斯格明子相,给出了增强斯格明子稳定性的具体方法.     

中心对称的阻挫磁体中斯格明子直径的调节

在带有垂直各向异性的二维三角晶格磁体中,当同时存在最近邻铁磁性和第三近邻反铁磁性交换作用时,垂直于膜面施加外磁场会使体系内自旋沿着非共面的方向排列,甚至出现拓扑稳定的斯格明子自旋结构.基于蒙特卡罗模拟方法,本文研究了在该二维阻挫磁体中,竞争性交换作用和外磁场对斯格明子直径的影响.与常规非中心对称的手性磁体中的斯格明子性质类似,外磁场会磁化斯格明子外围自旋而减小斯格明子直径.但是,磁体中反铁磁性交换作用的增强会整体压缩斯格明子.本文结合自旋波理论和蒙特卡罗模拟,首次量化了此类阻挫磁体中斯格明子的直径.结果表明:在弱的反铁磁性交换作用磁体中,斯格明子直径随磁场增大而快速线性减小;随着反铁磁性交换作用的增大,斯格明子直径随外磁场增大的减小变得相对平缓,但在强磁场下也会造成斯格明子直径的加速减小;随着反铁磁性交换作用的增强,斯格明子在不同外磁场下的直径的最大值和中值均从逐渐减小到渐趋稳定,而直径的最小值则从快速减小到表现出很大的涨落.这些现象都可以通过分析斯格明子在不同交换作用和外磁场下的构型和磁能变化加以解释.该项工作阐明了在中心对称的阻挫磁体中斯格明子直径的可调节性,不仅完善了我们对斯格明子本身物理机理的认识,同时也为发展基于斯格明子的新一代存储和逻辑器件提供了理论支撑.     

薄膜异质结中磁性斯格明子的相关研究

磁性斯格明子由于具有拓扑保护、尺寸小、驱动电流密度低等优异的属性,有望作为未来超高密度磁存储和逻辑功能器件的信息载体.为了满足器件中信息写入和读取的基本要求,需要在室温下实现斯格明子的精确产生、操控和探测.该综述简要介绍最近我们针对上述问题取得的一系列研究进展,包括:1)证明可以通过控制磁性薄膜材料的垂直磁各向异性在室温下产生斯格明子,并进一步在基于反铁磁的薄膜异质结中发现了室温、零磁场下稳定存在的斯格明子;2)证明能够利用电流产生的自旋轨道力矩操控斯格明子,并进一步制备出一种基于斯格明子的原理型器件,实现了利用电学方式产生和操控数量可控的斯格明子.     

磁性斯格明子的赛道存储

磁性斯格明子是拓扑稳定的自旋结构,它的尺寸小,驱动电流阈值小,被广泛认为是下一代磁性存储的基本单元.斯格明子的主要优势在于它奇特的动力学性质,特别是它能够与传导电子相互作用,在低电流密度驱动下可以在赛道上稳定地运动.本文结合磁性斯格明子赛道存储的最新研究成果,对斯格明子在赛道上的写入、驱动和读出三个方面进行了较为详细的综述.重点介绍了注入自旋极化电流这一最常见的驱动方法,分析了斯格明子在赛道上的堵塞和湮没现象,探讨了斯格明子霍尔效应及其可能造成信号丢失的危害和相关的解决方法,并在此基础上详细介绍了几种斯格明子塞道存储的优化设计方案.最后总结了磁性斯格明子赛道存储面临的一些挑战.     

磁斯格明子拓扑特性及其动力学微磁学模拟研究进展

具有非平庸拓扑性的新型磁结构斯格明子,由于其拓扑稳定性、尺寸小、低电流驱动等方面的显著优势,有望应用于自旋电子学储存器件.拓扑和凝聚态物理学的结合,使得斯格明子展现出很多有趣的拓扑物理现象,吸引了众多的研究兴趣,同时这些性质也是其电流驱动下动力学特点的重要影响因素.本文从斯格明子的拓扑物理学基础及其自旋电子学器件应用相关动力学两个方面介绍了相关研究进展.在拓扑物理基础方面,介绍了斯格明子的拓扑霍尔效应、斯格明子霍尔效应以及自旋轨道转矩等拓扑性质,由此讨论了斯格明子的动力学性质及其计算方法;在动力学方面,从非均匀电流驱动生成斯格明子、电流驱动下的稳定输运、产生湮灭过程的人工控制几个赛道存储应用关心的问题简要地介绍了相关微磁学模拟研究最新进展.     

Magnetic hysteresis of the magnetoresistance and the critical current density in polycrystalline YBa2Cu3O7−δ–Ag superconductors

A systematic study of the magnetic hysteresis in transport properties of polycrystalline YBa₂Cu₃O_7−δ–Ag compounds has been made based on two kinds of measurements at 77 K and under applied magnetic fields up to 30 mT: critical current density J_c(B_a) and magnetoresistance R(B_a). The R(B_a) curves show a minimum in their decreasing branch occurring at B=B_min which was found to be both the excitation current I_ex and the maximum applied magnetic field B_am dependent. In addition, for a certain value of B_am>5 mT, we have observed that B_min increases with increasing I_ex and reaches a saturation value. The J_c(B_a) curves show a maximum in decreasing applied magnetic fields occurring at B=B_max. We have also found that B_max increases with increasing B_am and reaches a saturation value. The minimum in the R(B_a) and the maximum in J_c(B_a) curves were found to be related to the trapped flux within the grains. All the experimental results are discussed within the context of the flux dynamics and transport mechanisms in these high-T_c materials.     

Determination of localized states in porous silicon

We determined the density of state distribution near the Fermi level in porous silicon from the analysis of the current–voltage (J–V) and the current–thickness (J–T) characteristics in the space-charge-limited-current (SCLC) regime. The distribution exhibits a minimum density at the Fermi level, which is similar to the U-shape-trap-distribution observed in crystalline Si–SiO₂ interface or in amorphous Si. Theoretical analysis well explains both the J–V and the J–L characteristics, which implies that the current flow is entirely controlled by localized states situated at the quasi-Fermi level.     

Investigation on threshold voltage of p-channel GaN MOSFETs based on p-GaN/AlGaN/GaN heterostructure

The threshold voltage (V_th) of the p-channel metal-oxide-semiconductor field-effect transistors (MOSFETs) is investigated via Silvaco-Atlas simulations. The main factors which influence the threshold voltage of p-channel GaN MOSFETs are barrier height Φ_1,p, polarization charge density σ_b, and equivalent unite capacitance C_oc. It is found that the thinner thickness of p-GaN layer and oxide layer will acquire the more negative threshold voltage V_th, and threshold voltage |V_th| increases with the reduction in p-GaN doping concentration and the work-function of gate metal. Meanwhile, the increase in gate dielectric relative permittivity may cause the increase in threshold voltage |V_th|. Additionally, the parameter influencing output current most is the p-GaN doping concentration, and the maximum current density is 9.5 mA/mm with p-type doping concentration of 9.5×10¹⁶ cm^-3 at V_GS = -12 V and V_DS = -10 V.     

反向衬底偏压下纳米N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管中栅调制界面产生电流特性研究

研究了反向衬底偏压V_B下纳米N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管中栅调制界面产生(GMG)电流I_GMG特性, 发现I_GMG曲线的上升沿与下降沿随着|V_B|的增大向右漂移. 基于实验和理论模型分析, 得出了V_B与这种漂移之间的物理作用机制, 漂移现象的产生归因于衬底偏压V_B 调节了表面电势φ_s在栅电压V_G 中的占有比重: |V_B|增大时相同V_G下φ_s会变小, φ_s 的变化继而引发上升沿产生率因子g_r减小以及下降沿产生率因子g_f增大. 进一步发现I_GMG 上升沿与下降沿的最大跨导G_MR, G_MF 在对数坐标系下与V_B成线性关系, 并且随着|V_B|增加而增大. 由于漏电压V_D在I_GMG 上升沿与下降沿中的作用不同, 三种V_D下G_MR-V_B曲线重合而G_MF-V_B曲线则产生差异. 增大V_D 会增强g_f 随V_G的变化, 因此使得给定V_B 下的G_MF变大. 同时这却导致了更大V_D下G_MF-V_B 曲线变化的趋势减缓, 随着V_D从0.2 V变为0.6 V, 曲线的斜率s从0.09减小到0.03. 关键词： 产生电流 表面势 衬底偏压 N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管     

MgB2超导膜的厚度与其Jc(5K,0T)的关系

通过混合物理化学气相沉积法 (hybrid physical-chemical vapor deposition, HPCVD), 在(000l) SiC 衬底上制得一系列从10 nm到8 μm的MgB₂超导膜样品, 并对它们的形貌、超导转变温度T_c 和临界电流密度J_c与膜厚度的关系进行了研究. 观察到T_c随膜厚度增加上升到最大值后, 尽管膜继续增厚, 但T_c值保持近乎平稳, 而J_c则先随膜厚度增加上升到最高值后, 继而则随膜的厚度的增加而下降. MgB₂膜的T_c(0)和T_c(onset)值与膜厚的关系基本一致, T_c(0)在膜厚为230 nm处达到最大值T_c(0)=41.4 K, 而J_c(5K,0T)在膜厚为100 nm时达到最大值, J_c (5 K, 0 T)=2.3×10⁸A·cm^-2, 这也说明了我们能用HPCVD方法制备出高质量干净MgB₂超导膜. 本文研究的超导膜厚度变化跨度非常大, 从10 nm级的超薄膜到100 nm级的薄膜, 再到几微米的厚膜, 如此T_c和J_c对膜厚度变化的依赖就有了较完整、成体系的研究. 并且本文的工作对MgB₂超导薄膜制备的厚度选取具有实际应用意义. 关键词： 2超导膜')" href="#">MgB₂超导膜 混合物理化学气相沉积法 厚度 临界电流密度     

宽温域跨室温磁斯格明子材料的发现及器件研究

报道了阻挫型磁体Fe_3Sn_2单晶中宽温域跨室温磁斯格明子的发现及其"赛道型"微纳器件的初步探索.通过合金化设计和实验,突破晶体取向生长和克服包晶反应两个关键技术难关,制备出了高质量的Fe_3Sn_2单晶.原位洛伦兹电子显微镜结果表明,在该材料体系中,磁斯格明子具有多种拓扑结构,并可以在一定磁场下相互转化.基于高质量的Fe_3Sn_2单晶,利用聚焦离子束技术,进一步制备出了600 nm宽并具有磁斯格明子单链排列的"赛道性"微纳器件.实验结果表明,该单链磁斯格明子具有极高的温度稳定性:单个磁斯格明子的尺寸以及相邻两个磁斯格明子之间的距离可以在室温到630 K宽温区内保持不变.宽温域跨室温磁斯格明子材料Fe_3Sn_2的发现及单链"赛道型"微纳器件的成功制备,从材料和器件两个方面推进了磁斯格明子材料的实用化.     

嵌入Ag纳米颗粒层的DNA忆阻器

构建了具有“Al/DNA-CTMAB/Ag NPs/DNA-CTMAB/ITO”结构的有机忆阻器件, 并对其电流-电压 (I-V)曲线进行测量. 结果表明, 嵌入Ag纳米颗粒层, 不仅可以增强器件的导电性, 而且忆阻特性也显著提高. 当颗粒粒径在15–20 nm范围时, 开-关电流比I_ON/I_OFF能够达到10³. 器件的I-V特性受扫描电压幅值V_A的影响, 随着V_A的增大, 高阻态的电流变化较小, 而低阻态的电流明显增大, 开(或关)电压V_SET (V_RESET)和I_ON/I_OFF增加. 实验还发现, 器件高低阻状态的相互转换取决于外加电场的方向, 说明该忆阻器具有极性.     

Fabrication, microstructure and critical current density of screen-printed Ag-(Bi, Pb)2Sr2Ca2Cu3Ox superconducting tapes

The influence of the sintering conditions on the microstructure and critical current density J_c has been studied on screen-printed Ag-(Bi, Pb)₂Sr₂Ca₂Cu₃O_x tapes with a ceramics mono-layer core. Three kinds of fabrication processes, which consist of a combination of cold working (rolling and/or pressing) and sintering, are applied. Four times repetition of pressing and sintering after the pre-sintering produces the highest c-axis alignment and achieves J_c= 1.5 × 10⁴ A/cm² (77 K, 0 T). The J_c versus θ data with an angle θ between B and the c-axis elucidate the relation between the anisotropy ratio γ=J_c(Bc)/J_c(B|c and the half-height angular width Δθ of a peak for Bc. This is related to both grain alignment and the J_c value. An increase in J_c, which comes from an improvement for grain alignment, enhances γ and narrows Δθ. The J_c versus θ data are fitted to the expression J_c(B, θ)=J _c(B, 90°)/[(γ−1)|cos θ|ⁿ+1] by regarding both γ and n as adjustable parameters. Fabrication of screen-printed tapes with multilayers (1≤N≤5) is presented, where the critical current increases from 8.0 A to 30.2 A at 77 K and 0 T as N increases.     

Current-driven dynamics of skyrmion bubbles in achiral uniaxial magnets

We report dynamics of skyrmion bubbles driven by spin-transfer torque in achiral ferromagnetic nanostripes using micromagnetic simulations. In a three-dimensional uniaxial ferromagnet with a quality factor that is smaller than 1, the skyrmion bubble is forced to stay at the central nanostripe by a repulsive force from the geometry border. The coherent motion of skyrmion bubbles in the nanostripe can be realized by increasing the quality factor to ～ 3.8. Our results should propel the design for future spintronic devices such as artificial neural computing and racetrack memory based on dipole-stabilized skyrmion bubbles.