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物理学报 2023年第20期72卷 77-83页

作者：赵晨蕊魏云昕刘婷婷秦明辉华南师范大学华南先进光电子研究院广东省量子调控工程与材料重点实验室广州510006

亚铁磁畴壁在角动量补偿点附近具有非零净磁化强度,同时具有超快动力学性质,有望应用于未来的自旋电子学存储和逻辑器件中.探寻低能耗和高效驱动畴壁的手段和机制可以为实验设计和器件开发提供重要参考.本文使用理论分析和微磁学模拟研... 详细信息

亚铁磁畴壁在角动量补偿点附近具有非零净磁化强度,同时具有超快动力学性质,有望应用于未来的自旋电子学存储和逻辑器件中.探寻低能耗和高效驱动畴壁的手段和机制可以为实验设计和器件开发提供重要参考.本文使用理论分析和微磁学模拟研究了亚铁磁畴壁在正弦微波磁场驱动下的动力学行为,表明了微波磁场在一定的频率范围内可有效驱动畴壁运动,使得人们可通过调制不同频率的微波磁场来调控畴壁动力学.本文详细分析和解释了正弦微波磁场驱动亚铁磁畴壁的物理机理,探讨了双轴各向异性等参数对畴壁运动速度的影响,表明了磁各向异性和外加微波磁场频率等参量对不同净自旋角动量亚铁磁畴壁的调控行为.

关键词：畴壁动力学自旋电子学正弦微波磁场亚铁磁体

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磁性材料中畴壁动力学的微磁学模拟

磁性材料中畴壁动力学的微磁学模拟

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作者：熊龙浙江大学

学位级别：硕士

近年来,由于磁性材料中的畴壁在新型磁存储器和逻辑运算设备中的潜在应用,畴壁的动力学行为研究一直是热点。外场驱动下的畴壁运动无论是在实验还是理论上都是重要的问题。在理论方面,之前研究畴壁的常用方法有quenched Edwards-Wilkins... 详细信息

近年来,由于磁性材料中的畴壁在新型磁存储器和逻辑运算设备中的潜在应用,畴壁的动力学行为研究一直是热点。外场驱动下的畴壁运动无论是在实验还是理论上都是重要的问题。在理论方面,之前研究畴壁的常用方法有quenched Edwards-Wilkinson(QEW)方程、蒙特卡罗(MC)方法。但是QEW方程是一个唯象方程,在模拟过程中将畴壁视为一个单值的弹性弦,忽略了磁性材料中的微观结构和相互作用,所以无法模拟一些畴壁的微观复杂结构如悬突和小岛。而典型的伊辛模型的MC模拟虽然克服了QEW方程的缺点,但是其动力学却是不真实的。Landau-Lifshitz-Gilbert(LLG)方程是微磁学理论研究中一个重要的方程,尤其在研究畴壁运动、自旋波等动力学过程。因此本篇硕士论文中,我们采用了数值求解LLG方程,来研究磁性材料中畴壁的动力学行为。研究表明一维纳米线材料中,在外场驱动下,畴壁会沿着外场方向运动并且会产生自旋波。畴壁的运动会出现沃克崩溃现象,即当外场小于沃克极限时,畴壁为匀速运动,其速度遵循沃克理论,当外场大于沃克极限时,畴壁运动速度呈现振荡形态。磁性材料中,自旋波会与畴壁相互作用,利用这一特性,可以在局部施加交变外场来激发自旋波,当自旋波传播到畴壁附近时会使畴壁产生位移。畴壁运动速度与交变场的频率有关。利用局部交变外场刺激自旋波引起畴壁位移的方法可以大幅降低驱动畴壁所需要的能量,是非常重要的应用前景。斯格明子是近期研究的热点,一维纳米线中的畴壁实际上是其径向上的表现,斯格明子在新型的磁存储材料中有着重要潜在应用。磁性材料中的斯格明子是一种拓扑结构,当材料中存在Dzyaloshinsky-Moriya(DM)相互作用时,在不同参数下可以通过一定方法在材料中产生不同形态的斯格明子,其对应的拓扑数也不相同。实验和模拟上都证明了一种拓扑数为0的斯格明子(skyrmionium),本文介绍了其生成,及在外场作用下的形态变化。在磁性材料中,由于缺陷引起的畴壁钉扎现象一直是理论和实验上关注的热点。材料中引起畴壁钉扎的缺陷有多种,比如凹槽、空位及淬火无序噪音等。研究中表明由较简单的钉扎机制引起的相变更像是一级相变或相转变,例如在一维纳米线中淬火无序引起的钉扎或者窄带中凹槽引起的钉扎。但是在二维薄膜材料中,理论上表明零温时,淬火无序的噪音引起的钉扎相变为典型的二级相变,而以前的工作都是采用了唯象方程或者蒙特卡洛伪动力学去研究这个动力学相变,因此利用了动力学方程研究二维薄膜中的畴壁钉扎相变是极其重要的问题。本文中首次利用LLG方程及短时动力学的方法精确的测量出了相变点,通过标度行为得出了在相变点时的各种临界指数,探究在真实动力学下各临界指数的情况,并与QEW方程和蒙特卡洛模拟的结果比较,分析LLG动力学过程的指数变化。

关键词： Landau-Lifshitz-Gilbert方程畴壁动力学钉扎-退钉扎相变沃克崩溃淬火无序态斯格明子 Dzyaloshinsky-Moriya相互作用

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反点阵列薄膜的性能及电流诱导畴壁运动和隧道结翻转的研究

反点阵列薄膜的性能及电流诱导畴壁运动和隧道结翻转的研究

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作者：张明明东北大学

学位级别：硕士

信息和社交网络时代,由于高性能计算机和移动数字设备的出现,产生和存储了大量的信息,而传统的存储技术已愈发难以满足人们日益增长的对高性能存储器的渴望。现有的存储设备如静态存储器（SRAM）、动态存储器（DRAM）和闪存（Flash）等... 详细信息

信息和社交网络时代,由于高性能计算机和移动数字设备的出现,产生和存储了大量的信息,而传统的存储技术已愈发难以满足人们日益增长的对高性能存储器的渴望。现有的存储设备如静态存储器（SRAM）、动态存储器（DRAM）和闪存（Flash）等均是利用电子的电荷来进行信息的存储,每个存储单元中电荷的有无两种状态分别代表计算机二进制编码中的“0”和“1”。一旦断电后SRAM和DRAM中的数据即会消失,无法进行长期的数据存储。此外,前者的集成密度较低,成本较高。而闪存虽能实现断电后数据不消失,但其信息读写速度较慢,且其存储颗粒易产生过度磨损而降低使用寿命。因此,存储技术领域急需开发出新一代的存储技术,以尽可能同时满足高密度、低能耗及高读写速度的需要。在过去的二十年里,自旋电子学领域发现的隧道磁阻效应（TMR）和自旋转移力矩效应（STT）使人们利用电子的自旋属性研发出新一代的存储技术成为可能。上述效应仅利用电流即可对铁磁性薄膜的磁化翻转进行有效控制,从而为磁性存储器提供了一种高效节能的读写方案。同时,纳米制造技术的飞速发展也使得从微结构上调制材料的磁性能成为可能,为超高密度存储器的研发提供了条件。与实验方法相比,微磁学模拟技术允许人们针对实验受限条件下的纳米磁学问题进行探索性研究,从而为实验提供预测性理论指导。如今微磁学作为设计和研发磁性材料器件的重要工具之一,已被广泛的应用在磁记录介质、硬盘读头、磁性随机存储器和磁传感器的研发过程中。基于以上研究背景,本文利用微磁学模拟,从系统能量变化和磁化翻转机制的角度对反点阵列薄膜、电流驱动磁畴壁移动和磁性隧道结翻转的动力学过程进行了研究,为其实际应用提供了理论指导。本文的研究内容主要分为以下几个部分:1、研究了反点阵列对磁性薄膜磁化翻转机制和性能的影响。研究结果表明,反点阵列能够显著的增加薄膜的矫顽力,其中较小的纳米孔在磁化翻转的过程中主要充当反磁化形核点,而较大的纳米孔主要起钉扎作用阻碍磁畴壁的移动。证明了通过引入不同孔径及排列方式的反点阵列能够有效的调制磁性纳米薄膜的性能。2、研究了电流密度及纳米线截面形貌对磁畴壁移动的影响,提出了在纳米线中引入周期性缺口及局部加热区来抑制Walker崩溃的方案。电流密度及截面纵横比的增加在一定范围内能够显著增大磁畴壁的移动速度。通过合理的设置周期性缺口及局部加热区能够有效的抑制Walker崩溃,从而使磁畴壁能够高速稳定的移动,并从能量变化的角度进行了合理解释。3、研究了温度场及结构缺陷对面内各向异性磁性隧道结（MTJ）磁化翻转机制及翻转时间的影响;并提出了一种软磁嵌入式复合自由层,以降低垂直各向异性隧道结（pMTJ）的临界电流和翻转时间。温度场能够显著缩减磁矩进动前的“潜伏期”,而合理的结构设计能够改变自由层的形状各向异性,从而实现MTJ的快速翻转。软磁区域的嵌入改变了 pMTJ的磁化翻转机制,从而减小了其临界电流及翻转时间。

关键词：自旋转移力矩隧道磁阻效应反点阵列畴壁动力学磁性隧道结

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90°铁电畴的高频响应和多铁RMnO3畴结构的相场模拟

90°铁电畴的高频响应和多铁RMnO3畴结构的相场模拟

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作者：储鹏南京大学

学位级别：硕士

畴壁是一种典型的拓扑缺陷,是离散对称性自发破缺的结果。在凝聚态物理中,系统对称性的变化通常伴随物理性质的改变和新相的产生。因此研究畴结构和畴壁动力学是加深对材料的理解和进一步调控材料性能的重要途径。在铁电系统中,畴结构... 详细信息

畴壁是一种典型的拓扑缺陷,是离散对称性自发破缺的结果。在凝聚态物理中,系统对称性的变化通常伴随物理性质的改变和新相的产生。因此研究畴结构和畴壁动力学是加深对材料的理解和进一步调控材料性能的重要途径。在铁电系统中,畴结构可以简单通过电镜进行观察。但对于高频外场驱动下畴壁的运动,我们只能通过对样品整体的介电响应进行测量来间接表征。而实际的畴壁和畴壁运动对局域介电响应的贡献,我们很难通过实验手段进行直接研究。另一方面,现在新兴的多铁材料,其磁序和极化的强耦合带来了复杂的畴结构。但由于常见单相多铁材料的相变点很低而且极化也很弱,所以常规的方法无法直接观察和研究其内部的畴结构。唯像的相场方法是一个十分有效的介观尺度模拟方法,广泛用于研究很多类型材料的微结构演化。相场模型中假设两相之间的过渡是连续的,不存在奇点。由于没有对畴壁形态做任何进一步假设,因此相场模型适用于任何材料体系,而不用考虑实际的相互作用。本论文主要运用铁电相场模型研究不同体系中的畴结构和畴对体系物理性质的影响。主要介绍了 90°铁电畴在高频外场下的响应和对螺旋序多铁材料中多铁畴的研究。整个论文结构如下:第一章概述了铁电相场模型和我们使用的模拟方法。运用唯像模型研究铁电系统至今已有很多年,本章从最基本的铁电相变理论开始,逐项介绍了铁电相场模型中各能量项的来源和物理图像,并介绍了各项的数值处理方法。之后阐述了模拟中使用的两种演化方法:Monte Carlo方法和TDGL方程。最后介绍了数值计算中常用的两种并行计算方法。第二章研究了 90°铁电畴壁的高频响应。发展了一套用铁电相场模拟来计算系统交变介电常数和介电常数实空间分布的方法。通过这个方法研究了不同外场方向下90°铁电畴系统中介电响应的空间各向异性。我们发现,由于外场驱动下的畴壁运动,畴壁附近有较高介电响应。我们进一步研究了外加应变对畴壁运动和介电响应的影响。我们的模拟显示拉伸应变抑制畴壁运动因而减少系统介电响应,而轻微的压应变使系统介电响应增加。第三章研究了自旋螺旋序多铁材料中的畴结构。提出了自旋螺旋序中的多铁相场模型。研究了薄膜样品中的多铁畴结构,发现了一种180°头对头尾对尾的铁电畴结构。并模拟了这种多铁畴系统在外电场和磁场作用下响应。在三维系统中,我们模拟了不同自旋平面的多铁畴结构。最后我们从极化的磁序来源角度解释了自旋螺旋序多铁畴的成因。第四章是总结和展望。

关键词：铁电物理相场模型畴壁动力学多铁性

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