磁性金属纳米结构的畴壁特性与磁逻辑电路构筑

自旋电子学由于其丰富的物理内涵和广泛的应用前景受到学术界和工业界的高度重视,成为近年来凝聚态物理和信息技术领域关注的焦点。本文介绍了利用磁性金属纳米结构实现作为自旋电子器件基础的自旋注入的方法,特别涉及利用铁磁金属纳米点接触结构钉扎磁畴的特点,研究自旋极化电流与磁畴壁的相互作用规律, 理解纳米结构中畴壁的动力学行为,并以此为基础构筑结构简单、性能优异的全金属磁逻辑电路,从而实现了由电信号驱动,通过电信号检测,并与CMOS技术兼容的目的。     

消磁场对纳米铁磁线磁畴壁动力学行为的影响

为了实现基于磁畴壁运动的自旋电子学装置, 掌握磁畴壁动力学行为是重要争论之一.研究了在外磁场驱动下L-型纳米铁磁线磁畴壁的动力学行为. 通过微磁学模拟,在各种外磁场的驱动下考察了纳米铁磁线磁畴壁的动力学特性; 在较强外磁场的驱动下, 在不同厚度纳米线上考察了纳米线表面消磁场对磁畴壁动力学行为的影响. 为了进一步证实消磁场对磁畴壁动力学的影响, 在垂直于纳米线表面的外磁场辅助下分析了磁畴壁的动力学行为变化. 结果表明, 随着纳米线厚度和外驱动磁场强度的增加, 增强了纳米线表面的消磁场的形成, 使得磁畴壁内部自旋结构发生周期性变化, 导致磁畴壁在纳米线上传播时出现Walker崩溃现象. 在垂直于纳米线表面的外磁场辅助下, 发现辅助磁场可以调节消磁场的强度和方向. 这意味着利用辅助磁场可以有效地控制纳米铁磁线磁畴壁的动力学行为.     

电学方法调控磁化翻转和磁畴壁运动的研究进展

电学方法调控磁性材料及器件的磁性是当前自旋电子学研究的热点之一.本综述简要介绍利用电学方法调控磁化翻转和磁畴壁运动的研究进展.首先简述了自旋极化电流的产生、自旋流与局域磁矩之间的作用原理以及对应的Landau-Lifshitz-Gilbert-Slonczewski磁动力学方程;然后分别讨论了单层磁性材料、铁磁层/重金属、铁磁层/非磁金属/铁磁层等不同结构中的电流诱导磁化翻转或驱动畴壁运动;最后介绍了利用压电效应、磁电耦合效应和栅极电场效应三种电压方式对磁矩的调控.在此基础上,对电学方法调控磁化翻转和磁畴壁运动进行了总结和展望.     

不对称钴纳米环磁特性及涡旋态控制的蒙特卡罗模拟

利用Monte Carlo模拟方法研究不同外加磁场方向对不对称钴纳米环磁特性的影响.主要研究磁化反转过程中畴壁运动可控制机制、磁滞回线及涡旋态的形成.模拟结果表明:①不同的外加磁场方向对不对称钴纳米环在磁化反转过程中畴壁的运动和涡旋态的形成及稳定性有较大的影响;②可利用畴壁能的变化及外加磁场的方向控制纳米环畴壁的运动;③磁化反转过程中涡旋态的形成及稳定性存在明显的尺寸效应.     

温度、缺陷对磁畴壁动力学行为的影响

基于Landau-Lifshitz-Gilbert自旋动力学方法,研究了磁纳米条中缺陷、温度对其电流驱动磁畴壁移动性质的影响.研究结果表明:缺陷能有效钉扎电流对磁畴壁的驱动作用,并且其钉扎能力依赖于其缺陷浓度、位置及形态.而温度能有效地去钉扎.特别地,缺陷处的焦耳热能有效地消除其缺陷对磁畴壁的钉扎作用.进一步的研究表明:其影响磁畴壁移动的缘由在于缺陷、温度能有效调节磁纳米条中磁畴壁的面外磁化强度.     

铁磁/反铁磁双层膜系统中的磁畴动力学行为

比较了铁磁单层膜与铁磁/反铁磁双层膜结构中的磁畴演化行为, 发现由于反铁磁层膜对铁磁层膜的耦合作用使得系统的磁畴壁厚度、 磁畴壁等效质量、磁畴壁移动速度等发生了改变, 系统的矫顽场增强, 并出现了交换偏置场. 文章具体研究了反铁磁层耦合作用下其磁畴壁厚度、 等效质量以及磁畴壁移动速度等与反铁磁层的净磁化、 磁各向异性、界面耦合强度以及温度等的关系; 并研究了其对铁磁/反铁磁双层膜中的交换偏置场、矫顽场的影响. 进而 从磁畴结构的形成及其演化上揭示了铁磁/反铁磁双 层膜中出现交换偏置以及矫顽场增加的物理机制.     

铁磁系统中介观畴壁运动的波函数及其量子效应

本文从经典铁磁系统的畴壁运动方程出发 ,按照通常的正则量子化方法并通过幺正变换 ,求得了铁磁系统中介观畴壁的能级和相应的本征矢量 ,给出了当体系处于任意本征态时介观畴壁的坐标、动量的量子涨落以及两者之间的测不准关系 .进一步揭示了在低温下铁磁体畴壁运动的量子性的确来源于体系零点振动的涨落     

磁畴壁拓扑结构研究进展

拓扑磁性斯格明子作为信息载体单元具备高可靠性、高集成度、低能耗等优势,有望提高数据读写精度、降低功耗,从而研发新型拓扑自旋电子学材料与原理型器件,为信息技术、5G通信和大数据等的高速发展提供材料与技术支持.但磁性斯格明子同时存在需要磁场稳定以及电流驱动下斯格明子霍尔效应引起偏转等缺点,严重阻碍了其在实际器件中的应用,因此探索新型拓扑磁畴结构和适宜应用的材料体系成为研究的关键.本文将重点介绍自2013年理论预言磁畴壁斯格明子以来,利用高分辨率洛伦兹透射电子显微镜原位实空间发现并研究磁畴壁拓扑麦纫和磁畴壁斯格明子的实验工作.首次在范德瓦耳斯Fe_5–xGeTe₂二维磁性材料中发现温度诱发的180°磁畴壁转变为拓扑麦韧链,研究了磁畴壁麦纫态在外界电场、磁场作用下的集体运动行为,揭示了基于自旋重取向、磁畴壁限域效应以及弱相互作用下生成磁畴壁拓扑态的机制.在该机制指导下,设计制备了具有自旋重取向的GdFeCo非晶亚铁磁薄膜,不仅获得了磁畴壁麦纫,验证了生成机制的普适性,还成功实现了畴壁麦韧对到畴壁斯格明子的可逆拓扑转变,开辟了基于磁畴壁等内禀限域效应开展...     

磁电多铁性材料的宠儿:铁酸铋(BiFeO_3)研究进展的十年回顾

近十几年来,由于对新一代高性能(低能耗、高存储密度、高读写速度)电子功能器件的需求,多铁性材料特别吸引人们的关注。在这些多铁性化合物中,铁酸铋(BiFeO3,简写为BFO)具有高的铁电居里温度和高的反铁磁转变温度,是目前最有应用前景的多铁性材料之一。文章介绍了BFO的晶体结构、铁电极化结构以及反铁磁自旋结构,探讨了在它的基态和高应变状态下,极化与自旋是如何强耦合在一起的。在此基础上,进一步探讨了利用铁电/反铁磁BFO基体系来实现强磁电耦合效应(特别是在低维系统如异质结界面、畴壁或相界中)。文章还对BFO基纳米复合自组装结构中的磁电耦合做了简单介绍。通过对BFO这一多铁性模型体系的研究,可以帮助人们更好地认识铁性材料中衍生出的新奇量子现象,从而利用高等外延生长技术开发和设计新型人造超结构来实现材料的电性、磁性和弹性之间的耦合。     

掺杂三角形硼氮片的锯齿型石墨烯纳米带的磁电子学性质

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法,研究了三角形BN片掺杂的锯齿型石墨烯纳米带(ZGNR)的磁电子学特性.研究表明:当处于无磁态时,不同位置掺杂的ZGNR都为金属;当处于铁磁态时,随着杂质位置由纳米带的一边移向另一边时,依次可以实现自旋金属-自旋半金属-自旋半导体的变化过程,且只要不在纳米带的边缘掺杂,掺杂的ZGNR就为自旋半金属;当处于反铁磁态时,在中间区域掺杂的ZGNR都为自旋金属,而在两边缘掺杂的ZGNR没有反铁磁态.掺杂ZGNR的结构稳定,在中间区域掺杂时反铁磁态是基态,而在边缘掺杂时铁磁态为基态.研究结果对于发展基于石墨烯的纳米电子器件具有重要意义.     

二维伊辛模型的畴壁动力学

表面可以改变纳米磁性薄膜的结构和相变温度,畴壁动力学由此成为研究的重点.本文采用动力学蒙特卡罗模拟方法,对二维Ising模型磁畴界面的非平衡动力学展开数值研究.系统初态设为半正半负,即由完全有序但自旋取向完全相反的两部分组成,其间的磁畴壁随时间生长.通过对磁化标度形式的分析,发现畴壁内外的动力学标度形式虽然相同,但临界...     

微磁动力学的新进展

本文介绍微磁动力学领域的一个最新进展,我们的研究发现在磁场驱动下且保持畴结构不变地沿着纳米磁线运动的磁畴壁,其运动源于能量耗散,磁畴壁运动速度正比于能量耗散率。与此同时,我们根据能量守恒原则,给出了磁畴壁速度的一个合理定义,该定义适用于任意的磁畴壁结构。在此定义下,即使磁畴壁没有做刚性运动,我们也能得到磁畴壁运动的瞬时速度和平均速度。我们的结果不仅能重复低磁场下的沃克（Walker）解,还能反映出当磁场高于沃克极限（Walker limit）时速度{磁场的依赖关系,该结果跟数值模拟和实验数据都符合得很好。我们根据微磁动力学研究的这一新进展,最终澄清了一个事实即“磁畴壁质量”这个概念是错误的。     

磁粉的性能及其应用

 磁粉一般是指颗粒尺寸在1μm以下的单畴铁磁或亚铁磁性粉末.铁磁材料为了能处于最低的能量状态,在退磁状态下会分裂成许多磁畴.随着其尺寸的减小,不仅磁畴的数目减少,而且畴壁的厚度也小于大块材料的.由于畴壁厚度减小,其内部相邻电子自旋之间的夹角增大,使畴壁能量密度比大块材料的畴壁能量密度变大.因此,铁磁小颗粒为了减少总能量,就需要减少畴壁的数目.当磁粉尺寸小于某一临界尺寸以下,其内部所有原子的自旋方向都相互平行而成为单畴.单畴的临界尺寸主要决定于它的退磁能、各向异性能和交换能等的相互平衡.对一定的材料而言,它主要决定于颗粒的形状。一般铁磁单畴的临界尺寸在10-100nm范围.     

外周期驱动场作用下介观铁磁畴的共振运动

从铁磁畴的能量方程出发，利用正则量子化方法和么正变换技术，解析地求得了磁畴量子化运动的波函数。结果表明，即令磁畴的本征频率与外加周期驱动场频率不一致，磁畴的运动仍能表现出精确共振行为。另外，磁畴量子化运动的涨落只受阻尼力的影响，而完全与外加周期驱动场无关。     

二维伊辛模型的畴壁动力学

表面可以改变纳米磁性薄膜的结构和相变温度，畴壁动力学由此成为研究的重点。本文采用动力学蒙特卡罗模拟方法，对二维Ising模型磁畴界面的非平衡动力学展开数值研究。系统初态设为半正半负，即由完全有序但自旋取向完全相反的两部分组成，其间的磁畴壁随时间生长。通过对磁化标度形式的分析，发现畴壁内外的动力学标度形式虽然相同，但临界指数在数值上却存在很大差异，相差一个 =1，这是由初始条件导致的。     

金属离子掺杂对CuO基纳米复合材料的交换偏置调控

为了研究反铁磁基体中掺杂的金属离子对交换偏置效应的影响, 本文采用非均相沉淀法制备了纳米复合材料. X射线衍射图(XRD)和场发射扫描电子显微镜(SEM) 照片清晰表明CuO纳米复合样品具有统一的颗粒尺寸, 约为80 nm. 通过体系中掺杂磁性金属离子Ni和Fe, 实现了亚铁磁MFe₂O₄ (M=Cu, Ni)晶粒镶嵌在反铁磁(AFM) CuO 基体中. 在CuO基体中加入少量的Ni能改变两相交界面的磁无序从而生成类自旋玻璃相, 相应提高对铁磁相磁矩的钉扎作用. 同时, 场冷过程中反铁磁相内形成磁畴, 冻结在原始状态或磁场方向上, 畴壁也起到钉扎铁磁自旋的作用, 进而提高交换偏置效应. 随后加入的Ni 会生成各向异性能较大的NiO, 也能够提高交换偏置场. 在带场冷却下, 所有样品均发生垂直交换偏置, 也证明了样品在场冷过程中形成了自旋玻璃相, 正是由于亚铁磁与自旋玻璃相界面上的磁交换耦合, 才导致回线在整个测量范围内发生了向上偏移. 零场冷却和场冷却(ZFC/FC)情况下磁化强度与温度变化曲线(M-T)说明在这些复合材料中的交换偏置效应是由于存在亚铁磁颗粒和类自旋玻璃相界面处的交换耦合作用. 研究发现随着持续掺杂Ni离子, 交换偏置场先缓慢增加后又急剧增加, 生成各向异性能高的反铁磁相NiO 和反铁磁相内的畴态组织是这一结果的原因.     

电流驱动下磁畴壁快速运动的研究

在2011年第7期出版的Physics Today杂志上刊登了一篇关于自旋极化电流驱动磁畴壁运动的文章,介绍了该领域的最新进展.现对该文主要内容摘译如下:磁体具有净磁矩,但这并不意味着所有的非配对自旋指向同一方向.通常情况下,多个具有不同磁矩方向的磁畴同     

铁磁/重金属双层薄膜结构中磁性状态的稳定性分析

本文在理论上研究了铁磁/重金属双层薄膜结构中自旋霍尔效应自旋矩驱动的磁动力学. 通过线性稳定性分析, 获得了以电流和磁场为控制参数的磁性状态相图. 发现通过调节电流密度和外磁场, 可以获得不同的磁性状态, 例如: 平面内的进动态、平面内的稳定态以及双稳态. 当外磁场的方向在一定的范围时, 通过调节电流密度可以实现磁矩的翻转和进动. 同时, 通过数值求解微分方程, 给出了这些磁性状态磁矩的演化轨迹.     

基于金刚石NV色心的纳米尺度磁场测量和成像技术

纳米级分辨率的磁场测量和成像是磁学中的一种重要研究手段.金刚石中的单个氮-空位点缺陷电子自旋作为一种量子传感器,具有灵敏度高、原子级别尺寸、可工作在室温等诸多优势,灵敏度可以达到单核自旋级别,空间分辨率达到亚纳米.将这种磁测量技术与扫描成像技术结合,能够实现高灵敏度和高分辨率的磁场成像,定量地重构出杂散场.这种新型的磁成像技术可以给出磁学中多种重要的研究对象如磁畴壁、反铁磁序、磁性斯格明子的结构信息.随着技术的发展,基于氮-空位点缺陷的磁成像技术有望成为磁性材料研究的重要手段.     

单层密集ZnO纳米棒阻变器件的导电机制

制备了一种具有多级存储效应的密集ZnO纳米棒阵列阻变存储器件,借助I-V曲线和荧光光谱分析了器件的电流传导机制和阻变机制,发现器件在不同的电阻态下分别属于欧姆传导和空间电荷限制电流( SCLC)传导机制。正向电场作用使纳米棒表面耗尽区的氧空位V++密度增大,完善了电子传输的导电细丝通道,器件实现了由高阻态向低阻态的转变;在反向电压作用下,导电通道断裂,器件恢复到高阻态。