寬溫域跨室溫磁斯格明子材料的發(fā)現(xiàn)及器件研究?

侯志鵬 丁貝2) 李航2) 徐桂舟 王文洪 吳光恒

1)(中國科學(xué)院物理研究所,磁學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100190)2)(中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049)3)(南京理工大學(xué)材料學(xué)院,南京 210094)

報(bào)道了阻挫型磁體Fe3 Sn2單晶中寬溫域跨室溫磁斯格明子的發(fā)現(xiàn)及其“賽道型”微納器件的初步探索.通過合金化設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn),突破晶體取向生長和克服包晶反應(yīng)兩個關(guān)鍵技術(shù)難關(guān),制備出了高質(zhì)量的Fe3 Sn2單晶.原位洛倫茲電子顯微鏡結(jié)果表明,在該材料體系中,磁斯格明子具有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),并可以在一定磁場下相互轉(zhuǎn)化.基于高質(zhì)量的Fe3 Sn2單晶,利用聚焦離子束技術(shù),進(jìn)一步制備出了600 nm寬并具有磁斯格明子單鏈排列的“賽道性”微納器件.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該單鏈磁斯格明子具有極高的溫度穩(wěn)定性:單個磁斯格明子的尺寸以及相鄰兩個磁斯格明子之間的距離可以在室溫到630 K寬溫區(qū)內(nèi)保持不變.寬溫域跨室溫磁斯格明子材料Fe3 Sn2的發(fā)現(xiàn)及單鏈“賽道型”微納器件的成功制備,從材料和器件兩個方面推進(jìn)了磁斯格明子材料的實(shí)用化.

1 引 言

磁斯格明子是一種具有拓?fù)浔Ｗo(hù)的渦旋磁疇結(jié)構(gòu)單元.由于它具有拓?fù)浔Ｗo(hù)性、低驅(qū)動電流密度(比驅(qū)動傳統(tǒng)疇壁低5—6個數(shù)量級)以及磁場、溫度和電場等多物理作用調(diào)控的特性,被認(rèn)為是未來高密度、高速度、低能耗存儲器件的信息載體[1?5].目前,磁斯格明子多發(fā)現(xiàn)于具有非中心對稱結(jié)構(gòu)的材料體系中.在這些材料中,晶體結(jié)構(gòu)的空間對稱破缺引入Dzyaloshinskii-Moriya相互作用(DMI),同時考慮磁交換相互作用和外磁場的Zeeman能,在一定的溫度和磁場范圍內(nèi)便可以形成具有特定手性的磁斯格明子.現(xiàn)階段,具有手性磁斯格明子的材料主要集中于B20結(jié)構(gòu)材料體系中,例如MnSi[6?9],FeGe[10,11],Cu2OSeO[12?14]3等.然而,DMI與磁交換作用相比普遍較弱,因此手性磁斯格明子的溫度穩(wěn)定性普遍較差(存在于低溫或者穩(wěn)定存在溫區(qū)較窄),極大地限制了其實(shí)際應(yīng)用.因此,開發(fā)可以在室溫寬溫區(qū)穩(wěn)定存在的磁性斯格明子是目前磁電子學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),也是推進(jìn)磁斯格明子實(shí)用化的關(guān)鍵.

最近,一些課題組研究發(fā)現(xiàn),磁斯格明子同樣可以在具有中心對稱晶體結(jié)構(gòu)的材料體系中穩(wěn)定存在[15?20].在這些材料中,磁偶極相互作用、鐵磁交換作用、軸各向異性以及外磁場的Zeeman能之間的相互作用,同樣可以起到穩(wěn)定磁斯格明子的作用.在中心對稱材料體系中,磁斯格明子與非中心對稱材料中的磁斯格明子具有相同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),因此它們可以具有一些共同的物理特性,例如:斯格明霍爾效應(yīng)[21]、拓?fù)浠魻栃?yīng)[20]、低的電流驅(qū)動密度[17]等.然而,在中心對稱材料中,磁斯格明子沒有固定的手性,相比手性斯格明子增加了螺旋和渦旋兩個自由度,這一點(diǎn)與拓?fù)淦接沟拇排蓊愃?因此也有人稱之為斯格明子磁泡[18].對于斯格明子磁泡,穩(wěn)定其存在的幾種交換作用一般遠(yuǎn)大于非中心對稱材料中的DMI,因此一般被認(rèn)為其比手性斯格明子具有更高的穩(wěn)定溫度和更寬的穩(wěn)定溫區(qū),非常有希望解決磁斯格明子溫度穩(wěn)定性較差的問題.近年來,我們課題組為了解決磁斯格明子溫度穩(wěn)定性較差的問題,做了一系列系統(tǒng)而深入的研究.2016年,我們基于化學(xué)鍵和磁性雙調(diào)控的思想,在中心對稱六角MnNiGa合金中,首次發(fā)現(xiàn)了寬溫域跨室溫(穩(wěn)定溫度100—340 K)磁斯格明子(雙渦旋結(jié)構(gòu)),這使得磁斯格明子的溫度穩(wěn)定性顯著提高,有望推進(jìn)磁斯格明子基“賽道”存儲器的應(yīng)用[20].

2015年,Leonov和Mostovoy[22]通過計(jì)算模擬發(fā)現(xiàn),在具有軸各向異性的阻挫型磁體中也可以出現(xiàn)磁斯格明子.更重要的是,Pereiro等[23]理論預(yù)測發(fā)現(xiàn)阻挫型磁體中的磁斯格明子具有更好的溫度穩(wěn)定性,極大地激發(fā)了人們研究基于阻挫型磁斯格明子“賽道”存儲器的興趣.然而,這些研究都集中于理論模擬方面.本文介紹我們最近通過磁性、輸運(yùn)、洛倫茲電鏡測量等實(shí)驗(yàn)手段,首次在六角磁阻挫Fe3Sn2單晶中發(fā)現(xiàn)寬溫域跨室溫磁斯格明子以及基于Fe3Sn2單晶制備高溫度穩(wěn)定性磁斯格明子基“賽道”存儲器的相關(guān)工作.在Fe3Sn2中,我們將此前在MnNiGa合金中發(fā)現(xiàn)的雙渦旋磁斯格明子的居里溫度從340 K提高到630 K,這也是是迄今為止發(fā)現(xiàn)的具有最寬溫區(qū)(120—630 K)和最高溫度穩(wěn)定存在的磁性斯格明子,具有更加廣泛的應(yīng)用范圍.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 阻挫型室溫寬溫域磁斯格明子材料的發(fā)現(xiàn)

Fe3Sn2合金是一種少有的同時具有較高居里溫度(640 K)和阻挫型自旋結(jié)構(gòu)的磁性材料[24?27].從晶體結(jié)構(gòu)來看,Sn原子層和Fe-Sn雙原子層沿c軸方向交替排列成六角晶格,同時Fe原子和Sn原子在ab面上排列成kagome格子.圖1(a)為Fe3Sn2的晶體結(jié)構(gòu)圖.文獻(xiàn)報(bào)道的粉末中子衍射[25]和本文的磁性測量結(jié)果表明(見圖1(b)),接近居里溫度時,Fe3Sn2的易磁化軸沿c軸方向,隨著溫度的降低,其逐漸向ab平面內(nèi)偏轉(zhuǎn).當(dāng)溫度低于100 K時,其自旋變?yōu)闊o序排列,進(jìn)入自旋玻璃態(tài)[25?27].

圖1 Fe3 Sn2晶體結(jié)構(gòu)、磁性能、磁疇模擬 (a)Fe3 Sn2結(jié)構(gòu)示意圖;(b)Fe3 Sn2單晶樣品沿c軸的X光衍射圖;(c)在500 Oe外加磁場下,沿單晶不同軸向測量得到的磁性隨溫度的變化曲線;(d)利用OOMM F軟件模擬得到的200 nm厚Fe3 Sn2單晶薄片中磁疇隨軸各向異性常數(shù)K u、飽和磁化強(qiáng)度和外加磁場的變化Fig.1.Crystal structures,magnetic properties,and theoretical stimulations of the frustrated magnet Fe3Sn2:(a)The crystal structure of Fe3 Sn2;(b)the X-ray diffraction pattern with the beam along the c-axis;(c)temperature dependence of magnetization with the field-cooling(FC)model in an external magnetic field of 500 Oe between 5 K and 700 K;(d)the magnetocrystalline magnitude K u⊥saturated magnetization M s,and external magnetic field dependence of magnetic domains by theoretically stimulated.

上述結(jié)果表明,Fe3Sn2可以在100—640 K的極寬溫度范圍內(nèi)具有非共線磁結(jié)構(gòu),這使其非常有希望在外加磁場下形成具有極高溫度穩(wěn)定性的磁斯格明子.我們首先利用高溫Sn助溶劑方法制備高質(zhì)量的Fe3Sn2單晶.圖1(c)是Fe3Sn2單晶體在光學(xué)顯微鏡下的照片,可以發(fā)現(xiàn)晶體呈薄片狀,并具有光潔的六角面.通過X光衍射,可以確定六角晶面的法線沿[001]方向.通過能譜分析,可以確定晶體中Fe元素和Sn元素的原子比接近3:2,與理想原子比相符合[28].我們測量了單晶樣品電阻率隨溫度變化的曲線,經(jīng)計(jì)算得到其剩余電阻比(R300K/R2K)高達(dá)70,這表明Fe3Sn2晶體具有非常高的質(zhì)量.通過測量在不同溫度下沿Fe3Sn2晶體不同軸的M-H曲線,可以得到與溫度相對應(yīng)的飽和磁化強(qiáng)度Ms和軸各向異性常數(shù)Ku.根據(jù)實(shí)驗(yàn)獲得的參數(shù),首先利用OOMMF軟件,模擬出Fe3Sn2晶體中的磁疇隨軸各向異性常數(shù)Ku、飽和磁化強(qiáng)度Ms以及外加磁場H的變化,如圖1(d)所示.由此發(fā)現(xiàn),其基態(tài)磁疇形態(tài)受Ms影響較小而與Ku大小緊密相關(guān),最重要的是在本材料中室溫和一定磁場下有磁斯格明子出現(xiàn),見圖1(d).

為了進(jìn)一步驗(yàn)證理論模擬結(jié)果,我們利用聚焦離子束(FIB)從高質(zhì)量的Fe3Sn2單晶塊體中沿(001)方向提出長、寬、厚分別為20μm,10μm,250 nm的薄片,并在室溫下利用洛倫茲投射電子顯微鏡(LTEM)對其磁疇隨外加磁場的變化進(jìn)行了觀測.圖2(a)—(d)為Fe3Sn2單晶薄片中磁疇隨外加磁場變化的LTEM圖,其中磁場沿晶體c軸方向.當(dāng)外磁場為零時,樣品中出現(xiàn)條狀磁疇,其周期約為150 nm,這與另一種中心對稱磁體La1?xSrxMnO3(x=0.175)[29]中條紋疇的周期相當(dāng),但比(M n1?xNix)65Ga35(x=0.5)[19]中的磁疇寬兩倍,如圖2(a)所示.隨著外加磁場的增加,條紋疇的寬度逐漸減小,同時其末端逐漸收縮成啞鈴狀,這些啞鈴狀的磁疇進(jìn)一步收縮便可以生成平庸型磁泡.圖2(b)即為啞鈴狀磁疇與平庸型磁泡共存的狀態(tài).隨著外加磁場的進(jìn)一步增加,啞鈴狀的條紋疇逐漸消失,而磁泡數(shù)量逐漸增多.當(dāng)外加磁場大于800 mT時,條紋疇完全轉(zhuǎn)化為磁泡,如圖2(c)和圖2(d)所示.通過對不同磁場下的磁泡襯度進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),其自旋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨磁場的變化而改變.在圖2(b)—(d)中,我們用白色方框標(biāo)識出了三種具有不同自旋結(jié)構(gòu)的磁泡(分別用數(shù)字“1”,“2”, “3”表示), 其自旋結(jié)構(gòu)示意圖分別對應(yīng)圖2(e)—(g).“1”型磁泡是一種在具有單軸各向異性的鐵磁性材料中常見的磁疇結(jié)構(gòu).從圖2(e)可知,其由兩個手性相反的布洛赫疇壁環(huán)繞組成,由于自旋結(jié)構(gòu)不閉合,所以其拓?fù)鋽?shù)為0.隨著外磁場的增加,“1”型平庸型磁泡中一條布洛赫壁逐漸收縮形成閉合的自旋結(jié)構(gòu),這就是我們所謂的“2”型非平庸型磁泡.Yu等[29]最近在中心對稱磁體La1?xSrxMnO3(x=0.175)中觀測到了同樣結(jié)構(gòu)的非平庸型磁泡.通過對其自旋結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析可以知道其與磁斯格明子具有相同的拓?fù)鋽?shù)1.當(dāng)磁場增加到860 mT時,“2”型非平庸型磁泡中的布洛赫疇壁進(jìn)一步收縮而形成了“3”型非平庸型磁泡.“3”型非平庸型磁泡具有與手性材料中斯格明子相同的自旋結(jié)構(gòu),因此其拓?fù)鋽?shù)同樣為1.“2”型和“3”型非平庸型磁泡具有相同的拓?fù)鋽?shù),并且我們發(fā)現(xiàn)“2”型非平庸型磁泡可以隨著外加磁場的增加通過疇壁移動連續(xù)變換成“3”型非平庸型磁泡,因此二者是拓?fù)渫叩?通過上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果,我們證明在中心對稱的阻挫型磁體中同樣可以產(chǎn)生磁斯格明子,并可以在室溫條件下穩(wěn)定存在.更有意思的是,其并不像手性斯格明子具有單一的自旋結(jié)構(gòu),本材料中的斯格明磁泡具有多種拓?fù)湫螒B(tài)并可以隨磁場連續(xù)發(fā)生變化.我們的結(jié)果為深入探索磁斯格明子的形成和穩(wěn)定機(jī)理提供了新的方向.

圖2 室溫Fe3 Sn2磁疇隨磁場的變化 (a)—(d)分別為在0 mT,400 mT,800 mT,860 mT外加磁場下的LTEM圖片,白色方框內(nèi)為具有不同自旋結(jié)構(gòu)的磁泡;(e)—(g)“1”,“2”,“3”類磁泡對應(yīng)的自旋結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2.The field dependence of magnetic domains at room temperature.(a)–(d)The LTEM photos under an external magnetic field of 0 mT,400 mT,800 mT,860 mT,respectively.The white boxes rep resent three types of bubb le domains.(e)–(g)The sketches for the spin textures of bubble domains.

圖3 不同溫度下Fe3 Sn2磁疇隨磁場變化的相圖 (a),(b)分別為磁電阻MR和歸一化后的交流磁化率χ(H)/χ(0)隨外加磁場的變化;(c)不同溫度下Fe3Sn2磁疇隨磁場變化的相圖Fig.3.(a),(b)The field-dependent magnetoresistance MR and normalized AC-susceptibilityχ(H)/χ(0)at room temperature,respectively;(c)the phase diagram in the magnetic field versus the temperature plane.

我們進(jìn)一步通過輸運(yùn)和磁性測量研究了在塊體Fe3Sn2單晶中斯格明子磁泡的形成和湮滅過程.圖3(a)和圖3(b)分別為Fe3Sn2單晶室溫磁電阻和交流磁化率隨外加磁場的變化曲線,其中外加磁場方向垂直于單晶的ab平面.從圖中可以看出,這兩條曲線在200 mT和800 mT附近出現(xiàn)了兩個明顯的變化峰,這分別與我們用LTEM在Fe3Sn2單晶薄片中觀測到的條紋疇-平庸型磁泡轉(zhuǎn)變以及平庸型磁泡-斯格明子磁泡轉(zhuǎn)變磁場相近,因此我們認(rèn)為這兩個變化峰可以用來表示條紋疇、平庸型磁泡、斯格明子磁泡之間的相互轉(zhuǎn)化臨界點(diǎn).當(dāng)外加磁場高于900 mT時,磁電阻和交流磁化率曲線都趨近于飽和,這說明Fe3Sn2中的斯格明子磁泡逐漸被磁化為普通鐵磁疇.進(jìn)一步在100—400 K溫度范圍內(nèi)測量了磁電阻和交流磁化率隨磁場的變化曲線,歸納了不同磁疇之間轉(zhuǎn)化時的臨界磁場,并繪制出溫度-磁場相圖,如圖3(c)所示.由圖可知,Fe3Sn2單晶中的磁斯格明子具有極高的溫度穩(wěn)定性,其可以在100—400 K內(nèi)穩(wěn)定存在,這為我們進(jìn)一步制備具有高溫度穩(wěn)定性的磁斯格明子基“賽道”存儲器提供了材料基礎(chǔ).

2.2 高溫度穩(wěn)定性磁斯格明子基賽道存儲器件制備

上述結(jié)果表明,Fe3Sn2中的磁斯格明子具有非常好的溫度穩(wěn)定性,本小節(jié)我們將著重介紹利用FIB技術(shù),基于高質(zhì)量的Fe3Sn2單晶,制備具有高溫度穩(wěn)定性磁斯格明子基“賽道”存儲器件方面的工作[30].圖4(a)—(e)是利用FIB制備“賽道”存儲器的操作示意圖,具體操作步驟見示意圖說明部分.圖4(f)是“賽道”寬度為600 nm、厚度為250 nm的存儲器件掃描電鏡圖.

為了清楚地看到其結(jié)構(gòu),圖4(g)給出了其在STEM模式下的透射電鏡圖.由圖可知樣品有三層結(jié)構(gòu):最內(nèi)層是600 nm寬的Fe3Sn2單晶層,通過電子衍射可以知道其法線沿[001]方向;Fe3Sn2外面兩層分別為C層和Pt層,這兩層不僅可以減少樣品在洛倫茲模式下觀測時邊界處產(chǎn)生的菲涅耳條紋,同時可以起到在減薄過程中保護(hù)Fe3Sn2層的作用.

圖4 基于高質(zhì)量Fe3 Sn2單晶制備“賽道”存儲器件 (a)—(e)利用FIB制備“賽道”存儲器件流程圖;(f)600 nm寬、250 nm厚“賽道”樣品的掃描電鏡圖;(g)“賽道”樣品在STEM模式下的透射電鏡圖;(h)“賽道”樣品的電子衍射圖Fig.4.The fabrication of race-track memory device based on high-quality Fe3Sn2 single crystal:(a)–(e)The processes for fabricating the race-track memory device;(f)–(h)the corresponding SEM,STEM,SEAD photos of the nanostripe with width of 600 nm and thickness of 250 nm.

接下來,我們利用洛倫茲電鏡研究了在室溫下600 nm寬的“賽道”樣品,磁疇隨外加磁場的變化,其變化過程如圖5(a)—(e)所示.當(dāng)加外磁場為零時,樣品中一系列條紋疇沿著“賽道”的長軸方向整齊排列,其周期為180 nm,略大于上面提到的無幾何受限樣品中條紋疇的周期150 nm.

隨著外加磁場的增大,條紋疇首先逐漸收縮變窄,然后在“賽道”的邊界處環(huán)繞成一個類似于“半斯格明子”的磁疇結(jié)構(gòu).當(dāng)磁場增加至130 mT以上時,這些“半斯格明子”便逐漸從邊界處分離出來,進(jìn)而收縮成一個完整的斯格明子磁泡.由于邊界自旋與磁斯格明子之間存在排斥力,磁斯格明子最終會穩(wěn)定在“賽道”的中間位置并沿其長軸方向呈整齊的單鏈排列.進(jìn)一步通過OOMMF軟件理論模擬出600 nm寬“賽道”樣品中磁疇隨磁場的變化行為,如圖5(g)—(j)所示,與上面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全符合,這進(jìn)一步證明了我們實(shí)驗(yàn)結(jié)果的合理性.

圖5 600 nm寬“賽道”樣品中磁疇隨外加磁場的變化及微磁學(xué)模擬 (a)—(e)600 nm寬賽道樣品中磁疇隨外加磁場的變化;(f)微磁學(xué)模擬所建立的模型;(g)—(j)利用微磁學(xué)模擬的600 nm寬“賽道”樣品中磁疇隨外加磁場的變化Fig.5.(a)–(e)The field dependence of magnetic domains at room temperature;(f)the model used for OOMM F stimulation;(g)–(j)simulation of the evolution of the skyrmion bubbles under different magnetic fields.

圖6 600 nm寬“賽道”樣品中斯格明子的溫度穩(wěn)定性研究 (a)—(d)600 nm寬賽道樣品中斯格明子單鏈隨溫度的變化;(e)假設(shè)斯格明子為橢圓形的示意圖;(f)斯格明子長軸、短軸以及相鄰兩個斯格明子之間距離隨溫度的變化Fig.6.(a)–(d)Temperature dependence of the single chain of skyrmion bubbles under their corresponding critical magnetic fields;(e)the proposed shape of a skyrmion bubble;(f)the temperature dependence of the major semi-axis a,minor semi-axis b,and average distance d between two neighboring skyrmion bubbles.

利用FIB微納加工技術(shù)設(shè)計(jì)出人工幾何邊界受限,制備出了基于Fe3Sn2單晶并具有磁斯格明子單鏈排列的“賽道”存儲器件. 我們進(jìn)一步利用洛倫茲電鏡的雙傾高溫桿(Model 652,Gatan Inc.),對其溫度穩(wěn)定性進(jìn)行了一系列的研究.圖6(a)—(d)展示了600 nm寬樣品中磁斯格明子單鏈在其臨界場(條紋疇恰好完全轉(zhuǎn)變?yōu)樗垢衩髯訒r的磁場)下隨溫度變化的洛倫茲電鏡圖片.從圖中可以看到,一方面隨著溫度的上升其臨界磁場顯著降低,另一方面,磁斯格明子非常穩(wěn)定,甚至當(dāng)溫度高達(dá)630 K時(居里溫度640 K),其依然能夠穩(wěn)定存在.這也是迄今為止報(bào)道的具有最高穩(wěn)定溫度的磁性斯格明子[10,19,31,32].

為了能夠更加定量地研究磁斯格明子的溫度穩(wěn)定性,我們將單個磁斯格明子的形狀假設(shè)為橢圓形,并分別用a和b來表示橢圓的長半軸和短半軸,用d來表示單鏈中相鄰兩個磁斯格明子之間的距離,如圖6(e)所示.圖6(f)為參數(shù)a,b,d的大小隨溫度的變化.從圖中可得出其數(shù)值隨溫度的升高基本保持不變,這進(jìn)一步說明了基于Fe3Sn2單晶的斯格明子基“賽道”存儲器具有極高的溫度穩(wěn)定性.

3 結(jié) 論

磁性斯格明子是一種拓?fù)浔Ｗo(hù)的渦旋磁疇結(jié)構(gòu).由于它的拓?fù)浔Ｗo(hù)性、低驅(qū)動電流密度以及磁場、溫度和電場等多物理作用調(diào)控的特性,被認(rèn)為是未來高密度、高速度、低能耗存儲器件的信息載體.本文報(bào)道了阻挫型磁體Fe3Sn2單晶中室溫寬溫域磁斯格明子的發(fā)現(xiàn)以及“賽道”存儲器件的系統(tǒng)研究工作.Fe3Sn2合金是一種少有的同時具有較高居里溫度(640 K)和阻挫型自旋結(jié)構(gòu)的磁性材料.我們通過理論模擬、磁輸運(yùn)測量、洛倫茲電鏡觀測相結(jié)合,證明了磁斯格明子可以在室溫下Fe3Sn2單晶中穩(wěn)定存在,并具有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu).進(jìn)一步通過微納加工的手段,基于Fe3Sn2單晶,制備出了具有單鏈排列的斯格明子賽道存儲器件.對其溫度穩(wěn)定性研究發(fā)現(xiàn),這種磁斯格明子單鏈可以在630 K的高溫下保持極高的溫度穩(wěn)定性,將此前發(fā)現(xiàn)的雙渦旋磁性斯格明子MnNiGa的居里溫度從340 K提高到630 K,是迄今為止發(fā)現(xiàn)的最寬溫區(qū)(120—630 K)和最高溫度穩(wěn)定存在的磁性斯格明子材料,具有更加廣泛的應(yīng)用范圍.