微区应力分布对磁畴的调控机制研究

作     者：王欣宇 

作者单位：杭州电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张鉴

授予年度：2022年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 0702[理学-物理学] 

主      题：微纳加工 微磁器件 磁畴 磁致伸缩 磁弹耦合效应 

摘      要：如今半导体行业发展迅猛,电子器件朝着集成化、微型化不断发展。然而,随着器件结构尺寸的降低,材料本身会表现出完全不同于宏观尺寸的性质。因此,探索纳米尺度下物质的相互作用、制备纳米级别的电子器件成为了当前研究领域的热点之一。对于磁性薄膜而言,有序可控的磁畴排列对自旋电子器件、磁光器件和微机电系统的性能有着重要的影响,而磁畴是磁性材料中的单元,其中原子的各个磁矩相互对齐以形成均匀的定向磁化。铁磁材料中内部能量的几种弛豫机制相互平衡,可以实现一系列磁畴样貌,例如迷宫畴、条纹畴、枝状畴和斯格明子等。这些磁性特征的排列可以通过应变、几何构型,以及施加的电场、磁场来控制。本文将磁性薄膜的磁弹耦合效应与微纳加工技术相结合,证明我们可以通过局部应力编程化分布实现磁畴的微观图案化。磁性材料内部存在磁弹能,遵照着低能量态较为稳定的原则,内应力、磁致伸缩系数、自发磁化方向以及应力与磁化方向间的夹角存在相互制约的关系。例如,往正磁致伸缩系数的磁性薄膜中引入拉应力时,为保证体系能量最低,应力与自发磁化方向方向必须同向。因此在实验中,我们通过在纳米柔性高分子层上沉积铁磁薄膜,引入纳米沟槽诱导出张应力定向缺陷,从而引起定向磁弹性耦合以自发形成有序磁畴,其本质是因为介质层与磁性薄膜层二者的杨氏模量差值较大,因而二者界面处会产生弹性应变,从而改变磁畴的分布。纳米沟槽的周期和形状可以改变磁畴的形态,并且,不同的柔性介质层以及不同的磁性材料对条纹畴的形态调控都有着一定关联。我们分别测试了聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)与水凝胶(PVA)作为介质层的不同情况,这两种试剂进行电子束曝光时分别作为正抗蚀剂与负抗蚀剂,结果表明二者均可以使磁性薄膜产生磁弹耦合效应。并且我们通过实验验证了磁性薄膜的厚度也会直接影响薄膜整体的静态磁性,随着磁性薄膜的厚度的增加会导致磁各向异性能的增加。我们通过对不同厚度的磁性薄膜沉积情况进行讨论,证明薄膜厚度的影响也会导致条纹畴的排序出现变换。最后,不同周期性的磁性薄膜的宏观磁性性能也被测量,结果表明微纳几何结构对宏观磁性性能有直接影响。以Ni为例,在同一体系下的微磁结构,垂直于纳米沟槽方向的磁滞回线显示纳米沟槽周期越小,整体的剩磁比越大,而顺应着纳米沟槽方向的磁滞回线无明显差异,其本质是因为周期的压缩导致对应方向张应力的增强。这为后续通过外加磁场调控局部磁畴形态提供了实验理论基础。综上所述,我们开发了一种微尺度区域中的磁畴定向耦合方法,在正、负磁致伸缩材料中都具有很高的调控灵活性,期望该工作在磁性薄膜材料领域提供一个普适的磁畴调控方法。