[发明专利]一种二维斯格明晶体的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型磁性材料的制备方法。

背景技术

斯格明子是磁性材料中一种特殊的结构(如图1)。人们发现斯格明子阵列构成的斯格明晶体不仅具有拓扑相关的输运行为，并且还可以通过电流来驱动斯格明子运动，同时存在温度梯度时甚至可以转动斯格明子。与赛道存储器中电流驱动畴壁运动相比，驱动斯格明子的临界电流要比前者小5-6个数量级，这大大降低了能耗，更利于实际应用。此外，斯格明子晶体还展现了非常有意思的动力学行为，面内交流磁场可以激发其两种进动模式，分别为逆时针、顺时针模式；面外交流磁场可以激发呼吸模式。因此斯格明晶体无论在基础研究还是潜在应用方面都引起了人们广泛的兴趣。

一般来说，斯格明晶体的形成需要一种特殊的Dzyaloshinskii-Moriya(DM)相互作用，并且其只能稳定存在的温度远低于室温且需要一定的磁场维持，这对材料的选择和实验的条件都提出了很高的要求，大大限制了其在基础研究和应用方面的发展。因此我们希望能够使用普通的磁性材料制备出人工二维斯格明晶体，该晶体能够稳定于室温下且不需要磁场维持。

人工二维斯格明晶体有如下要求：1、其形成不需要特殊的DM相互作用；2、其构成材料为常见的铁、钴、镍或其合金；3、能够稳定于室温下且不需要外加磁场维持。

发明内容

本发明的目的，所要解决的问题是制备一种人工二维斯格明晶体。

本发明的技术方案是：人工二维斯格明晶体的制备方法，将纳米磁性圆盘直接放到垂直各项异性材料上面，利用磁性材料之间的退磁能、交换能、各向异性能的相互作用的竞争从而获得斯格明晶体这种结构。

尤其是钴的纳米磁性圆盘阵列放置到钴铂合金平面上，尤其是通过切施加平行于薄膜表面且互相垂直的组合磁场的方法，使得纳米磁性圆盘阵列的每个磁性圆盘磁化的旋转方向统一。

我们首先进行了理论上的模拟，图2(b)就是样品的示意图。我们将钴的纳米圆盘阵列放置到钴铂合金上面，通过计算发现确实和DM相互作用引起的斯格明磁结构(图1)十分的类似。

进一步，可以通过加垂直于薄膜表面的磁场的方法使磁性圆盘的中间和周围部分的磁化方向相反。可以通过施加平行于薄膜表面且互相垂直的组合磁场的方法使得每个磁性圆盘磁化的旋转方向统一。

本发明所制备的人工二维斯格明晶体具有与DM相互作用引起的斯格明晶体相同的磁性结构。

本发明的有益效果是：不需要苛刻的材料和条件就能制备出斯格明晶体，利于其在基础和应用两方面的进一步深入研究。

附图说明

图1为斯格明子的磁结构；

图2为人工二维斯格明晶体的示意图，其中，

图2(a)所示，在硅片(土黄色层)上用磁控溅射方法生长一层钴铂合金薄膜；图2(b)所示的箭头方向为钴圆盘中心部分和周围的磁化统一方向。

具体实施方式

如图2(a)所示，在硅片(土黄色层)上用磁控溅射方法生长一层钴铂合金薄膜(深灰色层)，然后使用紫外光光刻结合电子束生长的方式将切边的钴圆盘置于钴铂合金薄膜上。

为了把钴圆盘中心部分和周围的磁化方向统一到图2(b)所示的方向，可以在垂直于薄膜方向施加一个较大的外磁场(0.2-0.5T)，使钴圆盘中心部分和周围的磁化方向往同一方向排列(垂直于膜面向上或者向下)。然后利用中心和周围的磁化的翻转磁场不同，施加一个合适大小的垂直于薄膜方向的反向外磁场(0.05-0.1T)，使得中心和周围的磁化方向一个翻转而另一个不变。

为了把钴圆盘的磁化旋转方向统一到如图2(b)所示，可以施加平行于薄膜表面且且互相垂直的组合磁场然后撤销，钴圆盘的面内磁化旋转方向就可以统一。