本發(fā)明涉及斯格明子的調(diào)控方法，具體涉及一種六角MnNiGa中的斯格明子的調(diào)控方法。

背景技術(shù)：

磁性斯格明子(Skyrmion)是一種具有拓?fù)湫袨榈拇沤Y(jié)構(gòu)。其具有粒子特性，且尺寸為納米量級(10-100納米)。磁性斯格明子的自旋排列使得驅(qū)動斯格明子狀態(tài)改變的電流密度比驅(qū)動傳統(tǒng)磁疇低5-6個量級，因此有望應(yīng)用于高密度、高速度、低能耗磁信息存儲器件中。

目前利用洛倫茲透射電鏡在非中心對稱結(jié)構(gòu)材料體系中直接觀察到了斯格明子的形成。雖然這些材料中可形成高密度的斯格明子點陣，但是需要持續(xù)的磁場來使其穩(wěn)定存在，而且這些材料的居里溫度低于室溫，且斯格明子成相溫區(qū)較窄(僅在居里溫度附近幾K的范圍內(nèi)穩(wěn)定存在)。

在中心對稱La_1.4Sr_1.6Mn₂O₇材料體系中，觀察到的一種拓?fù)鋽?shù)為2的斯格明子點陣，但是仍需要在70K的低溫下穩(wěn)定存在且溫區(qū)較窄。

我們發(fā)現(xiàn)在MnNiGa材料體系中能形成拓?fù)鋽?shù)為2的斯格明子，雖然其在100K-340K較寬溫區(qū)都存在，但在遠(yuǎn)離居里溫度(例如在室溫時)密度很低，無法實現(xiàn)高密度存儲。而且當(dāng)磁場撤銷時，所形成的斯格明子會消失，不具有零場穩(wěn)定性。

因此，目前需要一種調(diào)控方法使得形成的斯格明子能用于非易失性的高密度磁存儲器件中。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明的實施例提供了一種六角MnNiGa中的斯格明子的調(diào)控方法，包括如下步驟：

1)對六角MnNiGa施加磁場，其中所述磁場不足以使得所述六角MnNiGa中的條狀磁疇轉(zhuǎn)變?yōu)樗垢衩髯?，所述磁場的方向不平行所述六角MnNiGa的{001}晶面族；

2)對所述六角MnNiGa施加電流或/和加熱使其條狀磁疇消失。

優(yōu)選的，還包括步驟3)：將所述電流降低為零或/和將所述六角MnNiGa的溫度降低為室溫。

優(yōu)選的，還包括步驟4)：將所述磁場撤銷。

優(yōu)選的，所述磁場垂直于所述六角MnNiGa的{001}晶面族。

優(yōu)選的，所述磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為5mT-110mT。更優(yōu)選的，所述磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度為30mT-80mT。

優(yōu)選的，在所述步驟2)中，所述電流的面內(nèi)電流密度至少為8.4×10⁷A/m²。

優(yōu)選的，在所述步驟2)中，所述六角MnNiGa的溫度為室溫。

優(yōu)選的，在所述步驟2)中，將所述六角MnNiGa加熱至350K-380K。

本發(fā)明的調(diào)控方法能有效調(diào)控六角MnNiGa材料體系中的斯格明子密度，并形成了高密度的斯格明子陣列，且高密度的斯格明子在零場和寬溫域室溫下都能穩(wěn)定存在。

附圖說明

以下參照附圖對本發(fā)明實施例作進(jìn)一步說明，其中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明的第1個實施例形成的斯格明子的磁疇結(jié)構(gòu)圖。

圖2是根據(jù)本發(fā)明的第2個實施例形成的斯格明子的磁疇結(jié)構(gòu)圖。

圖3是根據(jù)本發(fā)明的第3個實施例形成的斯格明子的磁疇結(jié)構(gòu)圖。

圖4是根據(jù)本發(fā)明的第4個實施例形成的斯格明子的磁疇結(jié)構(gòu)圖。

圖5是根據(jù)本發(fā)明的第5個實施例形成的斯格明子的磁疇結(jié)構(gòu)圖。

圖6是根據(jù)本發(fā)明的第6個實施例形成的斯格明子的磁疇結(jié)構(gòu)圖。

圖7是根據(jù)本發(fā)明的第7個實施例形成的斯格明子的磁疇結(jié)構(gòu)圖。

圖8是根據(jù)本發(fā)明的第8個實施例形成的斯格明子的磁疇結(jié)構(gòu)圖。

圖9-11是根據(jù)本發(fā)明的第9個實施例形成的斯格明子分別在330K、298K和100K下的磁疇結(jié)構(gòu)圖。

圖12是圖10中的斯格明子在磁場撤銷時的磁疇結(jié)構(gòu)圖。

圖13是根據(jù)本發(fā)明的第10個實施例形成的斯格明子的磁疇結(jié)構(gòu)圖。

圖14是根據(jù)本發(fā)明的第11個實施例形成的斯格明子的磁疇結(jié)構(gòu)圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖通過具體實施例對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。

當(dāng)(Mn_100-δNi_δ)_αGa_β材料體系中的原子百分比α、β和δ滿足：60≤α≤70，30≤β≤40，0<δ≤50，α+β＝100時，所制備的MnNiGa為六角晶系結(jié)構(gòu)，其空間群為P6₃/mmc。申請人研究發(fā)現(xiàn)六角MnNiGa在居里溫度以上并不是急速轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序的順磁相，而是存在一個由長周期的鐵磁疇向短程有序的鐵磁團(tuán)簇逐漸過渡的過程，再進(jìn)一步升溫才會進(jìn)入長程無序的順磁態(tài)。其自旋磁共振圖譜表明鐵磁團(tuán)簇在350K-380K范圍內(nèi)隨溫度升高逐漸變小，在這個溫度區(qū)間控制外加磁場的大小就能控制斯格明子相的形成及分布。在{001}晶面族方向的外加磁場提供的各向異性場與一定尺寸的鐵磁團(tuán)簇本身的磁相互作用，有助于該晶面上形成斯格明子相。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，只有在最佳磁場條件下才能得到最高密度的斯格明子相，小于或大于該最佳磁場，都會有stripe相與斯格明子相的共存，從而使得斯格明子密度降低。因此通過外磁場作用調(diào)控微觀磁化狀態(tài)，從而達(dá)到優(yōu)化斯格明子相的形核。而面內(nèi)電流作用下的調(diào)控也是微觀磁化狀態(tài)，電場和磁場同時作用在該材料體系，產(chǎn)生感生磁電相互作用以及自旋轉(zhuǎn)移力矩效應(yīng)等使得微區(qū)磁化狀態(tài)發(fā)生改變，最終影響和控制磁疇微區(qū)的斯格明子的形核。

基于上述機(jī)理，申請人提出了一種斯格明子調(diào)控方法。

實施例1

1)制備(Mn₅₀Ni₅₀)₆₅Ga₃₅樣品：將(Mn₅₀Ni₅₀)₆₅Ga₃₅樣品塊切割成3毫米×2毫米的長方形片狀。為了便于在透射電鏡下直接觀察納米尺寸的斯格明子，通過砂紙、凹坑儀和拋光儀等對樣品觀察區(qū)域進(jìn)行打磨，再用離子減薄儀進(jìn)行減薄，使得樣品觀察區(qū)域的厚度小于100納米。將觀察區(qū)域減薄后的樣品安裝在電場桿上并插入透射電鏡中。其中可通過keithley電流表給樣品施加電流，并利用透射電鏡的物鏡電流產(chǎn)生所需的磁場，通過透射電鏡對樣品的(001)晶面進(jìn)行以下調(diào)控。

2)垂直(Mn₅₀Ni₅₀)₆₅Ga₃₅樣品的(001)晶面施加5mT的磁場，其中該磁場不足以使其條狀磁疇轉(zhuǎn)變?yōu)樗垢衩髯印?/p>

3)對(Mn₅₀Ni₅₀)₆₅Ga₃₅樣品施加面內(nèi)電流密度為8.4×10⁷A/m²的電流，使其條狀磁疇消失。

4)將電流降低為零。

圖1是根據(jù)上述調(diào)控方法得到的斯格明子的磁疇結(jié)構(gòu)圖。將外加磁場撤銷(即從5mT降低為零)之后，發(fā)現(xiàn)部分斯格明子能夠穩(wěn)定保存，具有非易失性零場穩(wěn)定性。另外將上述步驟4)處理后的(Mn₅₀Ni₅₀)₆₅Ga₃₅的溫度從室溫升高至330K或降低至100K后，發(fā)現(xiàn)斯格明子仍然能夠穩(wěn)定存在，因此本發(fā)明的調(diào)控方法形成了寬溫域室溫(即100K-330K)的斯格明子。

實施例2

其與實施例1基本相同，區(qū)別在于，在步驟2)中施加10mT的磁場(該磁場同樣不足以使得六角(Mn₅₀Ni₅₀)₆₅Ga₃₅中的條狀磁疇轉(zhuǎn)變?yōu)樗垢衩髯?。圖2是根據(jù)上述調(diào)控方法得到的斯格明子的磁疇結(jié)構(gòu)圖。將外加磁場撤銷之后，發(fā)現(xiàn)已形成的斯格明子仍然能夠穩(wěn)定保存，具有非易失性零場穩(wěn)定性。將(Mn₅₀Ni₅₀)₆₅Ga₃₅的溫度從室溫升高至330K或降低至100K后，發(fā)現(xiàn)斯格明子仍然能夠穩(wěn)定存在，因此本發(fā)明的調(diào)控方法形成了寬溫域室溫的斯格明子。

實施例3

其與實施例1基本相同，區(qū)別在于，在步驟2)中施加30mT的磁場(該磁場同樣不足以使得六角(Mn₅₀Ni₅₀)₆₅Ga₃₅中的條狀磁疇轉(zhuǎn)變?yōu)樗垢衩髯?。圖3是根據(jù)上述調(diào)控方法得到的斯格明子的磁疇結(jié)構(gòu)圖。將外加磁場撤銷之后，發(fā)現(xiàn)已形成的斯格明子仍然能夠穩(wěn)定保存，具有非易失性零場穩(wěn)定性。將(Mn₅₀Ni₅₀)₆₅Ga₃₅的溫度從室溫升高至330K或降低至100K后，發(fā)現(xiàn)斯格明子仍然能夠穩(wěn)定存在，因此本發(fā)明的調(diào)控方法形成了寬溫域室溫的斯格明子。

實施例4

其與實施例1基本相同，區(qū)別在于，在步驟2)中施加50mT的磁場(該磁場同樣不足以使得六角(Mn₅₀Ni₅₀)₆₅Ga₃₅中的條狀磁疇轉(zhuǎn)變?yōu)樗垢衩髯?。圖4是根據(jù)上述調(diào)控方法得到的斯格明子的磁疇結(jié)構(gòu)圖，從圖4可以看出，斯格明子的尺寸約為90納米，密度高且以陣列形式排列。將外加磁場撤銷之后，發(fā)現(xiàn)斯格明子仍然能夠穩(wěn)定保存，具有非易失性零場穩(wěn)定性。將(Mn₅₀Ni₅₀)₆₅Ga₃₅的溫度從室溫升高至330K或降低至100K后，發(fā)現(xiàn)高密度的斯格明子仍然能夠穩(wěn)定存在，因此本發(fā)明的調(diào)控方法形成了寬溫域室溫的斯格明子。

實施例5

其與實施例1基本相同，區(qū)別在于，在步驟2)中施加80mT的磁場(該磁場同樣不足以使得六角(Mn₅₀Ni₅₀)₆₅Ga₃₅中的條狀磁疇轉(zhuǎn)變?yōu)樗垢衩髯?。圖5是根據(jù)上述調(diào)控方法得到的斯格明子的磁疇結(jié)構(gòu)圖。將外加磁場撤銷之后，發(fā)現(xiàn)斯格明子仍然能夠穩(wěn)定保存，具有非易失性零場穩(wěn)定性。將(Mn₅₀Ni₅₀)₆₅Ga₃₅的溫度從室溫升高至330K或降低至100K后，發(fā)現(xiàn)斯格明子仍然能夠穩(wěn)定存在，因此本發(fā)明的調(diào)控方法形成了寬溫域室溫的斯格明子。

實施例6

其與實施例1基本相同，區(qū)別在于，在步驟2)中施加90mT的磁場(該磁場同樣不足以使得六角(Mn₅₀Ni₅₀)₆₅Ga₃₅中的條狀磁疇轉(zhuǎn)變?yōu)樗垢衩髯?。圖6是根據(jù)上述調(diào)控方法得到的斯格明子的磁疇結(jié)構(gòu)圖。將外加磁場撤銷之后，發(fā)現(xiàn)斯格明子保持穩(wěn)定，具有非易失性零場穩(wěn)定性。將(Mn₅₀Ni₅₀)₆₅Ga₃₅的溫度從室溫升高至330K或降低至100K后，發(fā)現(xiàn)斯格明子仍然能夠穩(wěn)定存在，因此本發(fā)明的調(diào)控方法形成了寬溫域室溫的斯格明子。

實施例7

1)制備(Mn₅₀Ni₅₀)₆₅Ga₃₅樣品：將(Mn₅₀Ni₅₀)₆₅Ga₃₅樣品塊切割以形成3毫米×2毫米的長方形片狀。為了便于在透射電鏡下直接觀察納米尺寸的斯格明子，通過砂紙、凹坑儀和拋光儀等對樣品觀察區(qū)域進(jìn)行打磨，再用離子減薄儀進(jìn)行減薄，使得樣品觀察區(qū)域的厚度小于100納米。將減薄后的樣品裝入低溫樣品桿上，并將樣品桿插入透射電鏡中。其中通過低溫樣品桿上的杜瓦添加液氮可以對樣品進(jìn)行降溫或通過樣品桿前端的加熱絲對樣品進(jìn)行加熱，并通過透射電鏡的物鏡電流施加垂直磁場，通過透射電鏡對樣品的(001)晶面進(jìn)行以下調(diào)控。

2)垂直(Mn₅₀Ni₅₀)₆₅Ga₃₅樣品的(001)晶面施加10mT的磁場，其中該磁場不足以使其條狀磁疇轉(zhuǎn)變?yōu)樗垢衩髯印?/p>

3)將(Mn₅₀Ni₅₀)₆₅Ga₃₅樣品加熱至360K，使其條狀磁疇消失。

4)將樣品的溫度降低為室溫298K。

圖7是根據(jù)上述調(diào)控方法得到的斯格明子的磁疇結(jié)構(gòu)圖。將上述步驟4)處理后的(Mn₅₀Ni₅₀)₆₅Ga₃₅的溫度從室溫升高至330K或降低至100K后，發(fā)現(xiàn)斯格明子仍然能夠穩(wěn)定存在，因此本發(fā)明的調(diào)控方法形成了寬溫域室溫的斯格明子。將10mT的外加磁場撤銷后，發(fā)現(xiàn)室溫下的斯格明子在零場仍然穩(wěn)定存在。

實施例8

其與實施例7基本相同，區(qū)別在于，在步驟2)中施加30mT的磁場(該磁場同樣不足以使得六角(Mn₅₀Ni₅₀)₆₅Ga₃₅中的條狀磁疇轉(zhuǎn)變?yōu)樗垢衩髯?。圖8是根據(jù)上述調(diào)控方法得到的斯格明子的磁疇結(jié)構(gòu)圖。將(Mn₅₀Ni₅₀)₆₅Ga₃₅的溫度從室溫升高至330K或降低至100K后，發(fā)現(xiàn)斯格明子仍然能夠穩(wěn)定存在，因此本發(fā)明的調(diào)控方法形成了寬溫域室溫的斯格明子。再將30mT的外加磁場撤銷后，發(fā)現(xiàn)室溫下的斯格明子在零場仍然穩(wěn)定存在。

實施例9

其與實施例7基本相同，區(qū)別在于，在步驟2)中施加50mT的磁場(該磁場同樣不足以使得六角(Mn₅₀Ni₅₀)₆₅Ga₃₅中的條狀磁疇轉(zhuǎn)變?yōu)樗垢衩髯?。圖9-11分別示出了(Mn₅₀Ni₅₀)₆₅Ga₃₅中的斯格明子在溫度330K、298K和100K下的磁疇結(jié)構(gòu)圖，從圖中可以看出本發(fā)明的調(diào)控方法形成的高密度的斯格明子在寬溫域室溫(即100K-330K)范圍內(nèi)穩(wěn)定存在。圖12示出了圖10中的室溫下的斯格明子在磁場撤銷時的磁疇結(jié)構(gòu)圖，從圖12可以看出，將50mT的外加磁場撤銷后，室溫下的斯格明子在零場下仍然穩(wěn)定存在。

實施例10

其與實施例7基本相同，區(qū)別在于，在步驟2)中施加90mT的磁場(該磁場同樣不足以使得六角(Mn₅₀Ni₅₀)₆₅Ga₃₅中的條狀磁疇轉(zhuǎn)變?yōu)樗垢衩髯?。圖13是根據(jù)上述調(diào)控方法得到的斯格明子的磁疇結(jié)構(gòu)圖。將(Mn₅₀Ni₅₀)₆₅Ga₃₅的溫度從室溫升高至330K或降低至100K后，發(fā)現(xiàn)斯格明子仍然能夠穩(wěn)定存在，因此本發(fā)明的調(diào)控方法形成了寬溫域室溫的斯格明子。再將90mT的外加磁場撤銷后，同樣發(fā)現(xiàn)室溫下的斯格明子在零場下仍然穩(wěn)定存在。

實施例11

其與實施例7基本相同，區(qū)別在于，在步驟2)中施加110mT的磁場(該磁場同樣不足以使得六角(Mn₅₀Ni₅₀)₆₅Ga₃₅中的條狀磁疇轉(zhuǎn)變?yōu)樗垢衩髯?。圖14是根據(jù)上述調(diào)控方法得到的斯格明子的磁疇結(jié)構(gòu)圖。將(Mn₅₀Ni₅₀)₆₅Ga₃₅的溫度從室溫升高至330K或降低至100K后，發(fā)現(xiàn)斯格明子仍然能夠穩(wěn)定存在，因此本發(fā)明的調(diào)控方法形成了寬溫域室溫的斯格明子。再將110mT的外加磁場撤銷后，同樣發(fā)現(xiàn)室溫下的高密度的斯格明子在零場下仍然穩(wěn)定存在。

在上述實施例1-6的步驟3)中，施加的面內(nèi)電流密度至少為8.4×10⁷A/m²即可，以確保六角MnNiGa的條狀磁疇消失。

在上述實施例7-11的步驟3)中，還可以將(Mn₅₀Ni₅₀)₆₅Ga₃₅樣品加熱至350K-380K使其條狀磁疇消失。

在本發(fā)明的其他實施例中，磁場的方向可以與六角MnNiGa的{001}晶面族所在的平面形成任意角度的夾角，優(yōu)選在90°左右。

在本發(fā)明的其它實施例中，還可以采用其它已知方式對六角MnNiGa材料施加所需磁場、加熱或施加電流，并不限于采用透射電鏡中的物鏡電流施加磁場、加熱絲加熱或keithley電流表施加電流。

在本發(fā)明的其他實施例的步驟3)中，還可以同時對六角MnNiGa施加電流和對其加熱，以使其條狀磁疇消失。

采用本發(fā)明的調(diào)控方法對六角MnNiGa進(jìn)行調(diào)控，使得在六角MnNiGa的(001)晶面上形成的高密度斯格明子陣列能在零場、寬溫區(qū)內(nèi)穩(wěn)定存在。因此有利于以高效節(jié)能的方式將其應(yīng)用于非易失性高密度磁存儲器件中。

雖然本發(fā)明已經(jīng)通過優(yōu)選實施例進(jìn)行了描述，然而本發(fā)明并非局限于這里所描述的實施例，在不脫離本發(fā)明范圍的情況下還包括所作出的各種改變以及變化。