疇壁釘扎

《電氣工程名詞》第一版。

1998年，經(jīng)全國(guó)科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會(huì)審定發(fā)布。

釘扎和去釘扎是磁納米線中疇壁運(yùn)動(dòng)重要的過(guò)程。垂直磁化納米線中的疇壁寬度小且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，對(duì)垂直磁化納米線中疇壁釘扎與去釘扎過(guò)程及相關(guān)動(dòng)力學(xué)的研究一方面有助于掌握磁納米線疇壁運(yùn)動(dòng)的規(guī)律和操控方法，從而為實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算和高密度存儲(chǔ)奠定基礎(chǔ)，另一方面，可以探索自旋轉(zhuǎn)移力矩中非絕熱項(xiàng)的本質(zhì)等一些基本科學(xué)問(wèn)題。本項(xiàng)目將以具有垂直各向異性的FePt和CoPt合金為材料體系, 研究納米線中疇壁釘扎與去釘扎過(guò)程中疇壁的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、去釘扎場(chǎng)大小以及它們與納米線和釘扎點(diǎn)的幾何尺寸等因素的關(guān)系，探索有效調(diào)控疇壁釘扎與去釘扎行為的方法；研究不同各向異性納米線中非絕熱系數(shù)及阻尼系數(shù)，澄清二者與自旋軌道耦合強(qiáng)弱的關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上結(jié)合理論研究探索二者的物理本質(zhì)。

垂直磁化納米線在賽道存儲(chǔ)器件、疇壁邏輯器以及納米振蕩器件都有廣闊的應(yīng)用前景，研究垂直納米線中釘扎疇壁的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行研究，探索調(diào)控疇壁動(dòng)力學(xué)行為的方法對(duì)其在器件中的實(shí)際應(yīng)用至關(guān)重要。本項(xiàng)目，我們將研究的重點(diǎn)放在垂直磁化納米線中釘扎疇壁的動(dòng)力學(xué)特性，主要開(kāi)展了一下工作：1）采用磁控濺射法加上納米刻蝕技術(shù)，制備出質(zhì)量良好的垂直納米線，對(duì)納米線的各向異性磁電阻測(cè)量，顯示出疇壁處于不同位置具有不同的AMR；2）研究了不同刻痕結(jié)構(gòu)、形狀和刻痕深度對(duì)對(duì)疇壁的釘扎強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)對(duì)稱矩形刻痕具有最強(qiáng)的釘扎效果，而三角刻痕釘扎最弱；3)對(duì)釘扎疇壁的動(dòng)力學(xué)特性研究發(fā)現(xiàn)，釘扎疇壁在一定的電流下出現(xiàn)振蕩，其實(shí)振蕩電流與刻痕的形狀、深度都有關(guān)系，在深度釘扎時(shí)，三角刻痕具有最小的其實(shí)振蕩電流；4）對(duì)深度釘扎的單個(gè)疇壁和多個(gè)疇壁的振蕩特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在一定電流下，會(huì)出現(xiàn)恒頻振蕩，這種恒頻振蕩的振幅可以通過(guò)橫向磁場(chǎng)輔助和多疇壁協(xié)同振蕩大幅提高；5）設(shè)計(jì)了反鐵磁耦合的雙垂直磁化納米線，利用自選軌道矩和DMI實(shí)現(xiàn)了耦合疇壁運(yùn)動(dòng)超高速運(yùn)動(dòng)；6）弄清垂直磁化-面內(nèi)磁化復(fù)合納米線中自旋波模式的振蕩特性以及調(diào)控手段，提出了一種新型的納米振蕩器；7）設(shè)計(jì)了垂直磁化-面內(nèi)磁化復(fù)合納米柱陣列，證實(shí)了合理調(diào)控相互作用可以使各納米柱的磁矩出現(xiàn)協(xié)同振蕩，從而大幅提高振蕩信號(hào)；8）探索了調(diào)控渦旋狀態(tài)以及利用渦旋狀態(tài)調(diào)控疇壁動(dòng)力學(xué)特性的方法，發(fā)現(xiàn)渦旋疇壁的狀態(tài)可以在選取適當(dāng)?shù)募{米線尺寸的情況，通過(guò)磁場(chǎng)大小方便地調(diào)控；9）對(duì)基于FePt3的雙層薄膜中的交換耦合特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)一定的化學(xué)無(wú)序以及鐵磁層的誘導(dǎo)可以誘發(fā)Q2 相，從而解釋了(100)取向的雙層膜低溫下出現(xiàn)的強(qiáng)的交換耦合場(chǎng)。以上這些工作中取得的重要結(jié)果以達(dá)到本象奴設(shè)定的研究目標(biāo)。

相鄰磁疇的界限稱為磁疇壁，磁疇壁是一個(gè)過(guò)渡區(qū)，具有一定的厚度。磁疇的磁化方向在疇壁處不能突然轉(zhuǎn)一個(gè)很大的角度（主要有180°和90°兩種），而是經(jīng)過(guò)疇壁一定厚度逐步轉(zhuǎn)過(guò)去的，即在這個(gè)過(guò)渡區(qū)中原子磁矩是逐步改變方向的。疇壁內(nèi)部的能量總比疇內(nèi)的能量高，壁的厚薄和面積大小都使它具有一定能量。

磁疇的形狀尺寸.疇壁的類型與厚度總稱為磁疇結(jié)構(gòu)。同一磁性材料，如果磁疇結(jié)構(gòu)不同，則其磁化行為也不同，所以磁疇結(jié)構(gòu)不同是鐵磁性物質(zhì)磁性千差萬(wàn)別的原因之一。磁疇結(jié)構(gòu)受到交換能、各向異性能、磁彈性能、磁疇壁能、退磁能的影響。平衡狀態(tài)時(shí)的疇結(jié)構(gòu)，這些能量之和應(yīng)具有最小值。

根據(jù)自發(fā)磁化理論，在冷卻到居里點(diǎn)以下而不受外磁場(chǎng)作用的鐵磁晶體中，由于交換作用使得整個(gè)晶體自發(fā)磁化達(dá)到飽和，顯然，磁化方向應(yīng)該沿著晶體的易軸，因?yàn)檫@樣交換能和磁晶能才都處于最小值。但因?yàn)榫w有一定的大小與形狀，整個(gè)晶體均勻磁化的結(jié)果必然產(chǎn)生磁極，磁極的退磁場(chǎng)卻給系統(tǒng)增加了一部分退磁能。對(duì)于“單疇”從能量觀點(diǎn)，把磁體分為n個(gè)區(qū)域時(shí)。退磁能降為原來(lái)的1/n，減少退磁能是分疇的基本動(dòng)力。但由于兩個(gè)相鄰磁疇間存在疇壁，又需要增加一定的疇壁能，因此自發(fā)磁化區(qū)域的劃分不能無(wú)限小，而是以疇壁能及退磁能相加等于極值為條件。為了降低能量.晶體邊緣表面附近為封閉磁疇，它們使得退磁能降為零。一個(gè)系統(tǒng)從高磁能的飽和組態(tài)變?yōu)榈痛拍艿姆之牻M態(tài)，從而導(dǎo)致系統(tǒng)能量降低的可能性是形成磁疇結(jié)構(gòu)的原因。

對(duì)于多晶體來(lái)說(shuō)晶界，第二相.晶體缺陷、夾雜，應(yīng)力、成分的不均勻性等對(duì)疇結(jié)構(gòu)有顯著的影響。每一個(gè)晶粒會(huì)包含許多疇，在一個(gè)磁疇內(nèi)，磁化強(qiáng)度一般都沿著晶體的易磁化方向。對(duì)于非織構(gòu)的多晶體，各晶粒的取向是不同的，因此在不同晶粒內(nèi)部磁疇的取向是不同的。為了減少退磁場(chǎng)能，在夾雜物附近會(huì)出現(xiàn)附加疇。在平衡狀態(tài)時(shí)，疇壁一般都跨越夾雜物。