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《中国科学技术大学》 2017年
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纳米结构中的磁斯格明子

金驰名  
【摘要】:具有非中心对称立方结构的螺旋磁体,如MnSi、FeGe,由于同时存在自旋、轨道、晶格多种自由度的关联与耦合,表现出丰富的物性,是磁性材料领域研究的热点与前沿之一。特别地,2009年在此类材料中发现一种拓扑稳定且具有粒子特性的磁结构,磁斯格明子(Skyrmion)。斯格明子具有尺寸小、稳定性高和易操控等众多优点,在构建未来高密度、高速度、低能耗磁存储器件方面具有潜在的应用价值,引起了人们的广泛关注。螺旋磁体纳米结构的制备及其物性的研究是推进斯格明子实用化的关键。本文采用自上而下的微、纳加工方法,开发出了一套可控的制备纳米结构透射样品的加工工艺,详细研究了受限体系下斯格明子的成核及演化规律,并探索了新型斯格明子材料。具体的研究内容和取得的成果如下:(1)发展了一套制备微、纳结构样品的微纳加工工艺,成功制备出了纳米盘,纳米条带等透射样品,这些纳米结构的成功制备为后续研究空间受限体系中的螺旋磁体的物性打下了坚实的基础。(2)首次在实验上直接观测到了强受限体系内斯格明子的演化行为。通过洛伦兹透射电子显微镜研究FeGe纳米条带中斯格明子在磁场下的动力学行为,发现纳米条带中存在单个斯格明子(斯格明子在块材或薄膜中通常以晶格形式存在);发现在宽温区范围内,在宽度和斯格明子特征尺寸接近的纳米条带中存在斯格明子单链;揭示了一种通过边缘调制的方式在受限几何结构中产生斯格明子的机制。斯格明子单链的发现,增加了将其作为高密度信息载体的可行性;边缘调制斯格明子链形成机制的发现,结合温度和厚度的控制规律,有助于裁选出受限体系中理想的斯格明子特性。(3)详细研究了 FeGe楔形纳米条带中斯格明子的成核及演化行为。通过透射电子显微镜的电子全息模式,发现几何受限的斯格明子可以通过改变它的大小和椭偏率从而出现在宽度不同的纳米条带中;发现楔形条带中的斯格明子可以由具有扭曲边界磁化的螺旋态通过简单且有效的方式转化而来;运用基于三维各向同性手性磁材料的一般模型对实验结果进行了验证。研究结果表明几何受限的斯格明子具有高度可变的形貌,这有助于构建斯格明子基存储器件。(4)探索并发现了新型斯格明子材料β-Mn结构FexCo1.5-xRh0.5Mo3N(x=0.3,0.5,1.0)。用洛伦兹透射电子显微镜研究x=1.0组分的磁结构,发现斯格明子存在的直接证据;通过磁性测量确定了 x=0.3和x=0.5组分块材中斯格明子相在相图里的存在区间。此外,表征了 Fe1-xCoxGe(x=0,0.2,0.3,0.4)样品的磁性质。发现随着Co掺杂量的提高,斯格明子在相图中占据的区间越来越小,且斯格明子尺寸逐渐变大。FexCo1.5-xRh0.5Mo3N这类斯格明子材料的成功发现,向原本种类不丰富的斯格明子材料中添加了新的一员,并为寻找新型斯格明子材料提供了指导方向;对FeGe进行Co掺杂处理提供了一种调控斯格明子的大小和存在区间的方式。
【关键词】:斯格明子 微纳加工工艺 FeGe 纳米条带 洛伦兹透射电子显微镜 电子全息 斯格明子材料
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TB383.1;O482.54
【目录】:
  • 摘要5-7
  • ABSTRACT7-12
  • 第一章 绪论12-40
  • 1.1 斯格明子名称由来12
  • 1.2 磁性材料里面的斯格明子12-17
  • 1.2.1 Dzyaloshinskii-Moriya相互作用12-14
  • 1.2.2 螺旋磁结构14-15
  • 1.2.3 超导涡旋和斯格明子15-17
  • 1.3 斯格明子基本性质17-24
  • 1.3.1 贝里相位17-21
  • 1.3.2 斯格明子自旋电子学21-24
  • 1.4 斯格明子研究现状及应用前景24-39
  • 1.4.1 稳定性24-26
  • 1.4.2 成核与湮灭26-28
  • 1.4.3 动力学性质28-31
  • 1.4.4 其他研究31-36
  • 1.4.5 应用前景36-39
  • 1.5 选题依据及研究内容39-40
  • 第二章 微纳加工工艺改进和透射样品制备40-60
  • 2.1 微纳加工平台简介40-49
  • 2.1.1 双束系统40-41
  • 2.1.2 电子束曝光原理及工艺改进41-44
  • 2.1.3 聚焦离子束原理及应用介绍44-49
  • 2.2 聚焦离子束制备透射样品49-59
  • 2.2.1 聚焦离子束制备透射样品流程49-52
  • 2.2.2 聚焦离子束制备透射样品工艺改进52-56
  • 2.2.3 微、纳结构透射样品制备56-59
  • 2.3 本章小结59-60
  • 第三章 边缘调制的斯格明子链及其集体动力学行为60-74
  • 3.1 引言60-61
  • 3.2 样品制备及表征方法61-64
  • 3.2.1 样品制备61
  • 3.2.2 样品表征方法61-64
  • 3.3 实验结果64-70
  • 3.3.1 低温下,FeGe纳米条带中的自旋结构随磁场的演化64-67
  • 3.3.2 FeGe纳米条带中斯格明子排列随温度的变化67-68
  • 3.3.3 低温下,斯格明子链的形成与螺旋磁波矢取向的关系68-70
  • 3.3.4 斯格明子相与样品宽度的关系70
  • 3.4 讨论70-72
  • 3.5 本章小结72-74
  • 第四章 对强空间受限结构中斯格明子的操控74-90
  • 4.1 引言74-75
  • 4.2 样品制备及表征方法75
  • 4.2.1 样品制备75
  • 4.2.2 样品表征方法75
  • 4.3 理论预测及实验结果75-85
  • 4.3.1 纳米条带中,斯格明子形态的理论预测75-78
  • 4.3.2 FeGe纳米条带测试结果78-84
  • 4.3.3 纳米条带宽度-磁场相图84-85
  • 4.4 讨论85-89
  • 4.5 本章小结89-90
  • 第五章 新型磁斯格明子材料探索90-100
  • 5.1 Fe_xCo_(1.5-x)Rh_(0.5)Mo_3N合金90-94
  • 5.1.1 引言90
  • 5.1.2 样品制备及磁性表征结果90-94
  • 5.1.3 讨论94
  • 5.2 B20结构Fe_(1-x)Co_xGe合金94-97
  • 5.2.1 引言94-95
  • 5.2.2 样品制备及磁性表征结果95-97
  • 5.2.3 讨论97
  • 5.3 本章小结97-100
  • 参考文献100-110
  • 致谢110-112
  • 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果112-113

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