寬溫域跨室溫磁斯格明子材料的發現及器件研究?

侯志鵬 丁貝2) 李航2) 徐桂舟 王文洪 吳光恒

1)(中國科學院物理研究所,磁學國家重點實驗室,北京 100190)2)(中國科學院大學,北京 100049)3)(南京理工大學材料學院,南京 210094)

報道了阻挫型磁體Fe3 Sn2單晶中寬溫域跨室溫磁斯格明子的發現及其“賽道型”微納器件的初步探索.通過合金化設計和實驗,突破晶體取向生長和克服包晶反應兩個關鍵技術難關,制備出了高質量的Fe3 Sn2單晶.原位洛倫茲電子顯微鏡結果表明,在該材料體系中,磁斯格明子具有多種拓撲結構,并可以在一定磁場下相互轉化.基于高質量的Fe3 Sn2單晶,利用聚焦離子束技術,進一步制備出了600 nm寬并具有磁斯格明子單鏈排列的“賽道性”微納器件.實驗結果表明,該單鏈磁斯格明子具有極高的溫度穩定性: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寬溫區內保持不變.寬溫域跨室溫磁斯格明子材料Fe3 Sn2的發現及單鏈“賽道型”微納器件的成功制備,從材料和器件兩個方面推進了磁斯格明子材料的實用化.

1 引 言

磁斯格明子是一種具有拓撲保護的渦旋磁疇結構單元.由于它具有拓撲保護性、低驅動電流密度(比驅動傳統疇壁低5—6個數量級)以及磁場、溫度和電場等多物理作用調控的特性,被認為是未來高密度、高速度、低能耗存儲器件的信息載體[1?5].目前,磁斯格明子多發現于具有非中心對稱結構的材料體系中.在這些材料中,晶體結構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便可以形成具有特定手性的磁斯格明子.現階段,具有手性磁斯格明子的材料主要集中于B20結構材料體系中,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定性普遍較差(存在于低溫或者穩定存在溫區較窄),極大地限制了其實際應用.因此,開發可以在室溫寬溫區穩定存在的磁性斯格明子是目前磁電子學領域的研究熱點,也是推進磁斯格明子實用化的關鍵.

最近,一些課題組研究發現,磁斯格明子同樣可以在具有中心對稱晶體結構的材料體系中穩定存在[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撲結構,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[21]、拓撲霍爾效應[20]、低的電流驅動密度[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,這一點與拓撲平庸的磁泡類似,因此也有人稱之為斯格明子磁泡[18].對于斯格明子磁泡,穩定其存在的幾種交換作用一般遠大于非中心對稱材料中的DMI,因此一般被認為其比手性斯格明子具有更高的穩定溫度和更寬的穩定溫區,非常有希望解決磁斯格明子溫度穩定性較差的問題.近年來,我們課題組為了解決磁斯格明子溫度穩定性較差的問題,做了一系列系統而深入的研究.2016年,我們基于化學鍵和磁性雙調控的思想,在中心對稱六角MnNiGa合金中,首次發現了寬溫域跨室溫(穩定溫度100—340 K)磁斯格明子(雙渦旋結構),這使得磁斯格明子的溫度穩定性顯著提高,有望推進磁斯格明子基“賽道”存儲器的應用[20].

2015年,Leonov和Mostovoy[22]通過計算模擬發現,在具有軸各向異性的阻挫型磁體中也可以出現磁斯格明子.更重要的是,Pereiro等[23]理論預測發現阻挫型磁體中的磁斯格明子具有更好的溫度穩定性,極大地激發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、洛倫茲電鏡測量等實驗手段,首次在六角磁阻挫Fe3Sn2單晶中發現寬溫域跨室溫磁斯格明子以及基于Fe3Sn2單晶制備高溫度穩定性磁斯格明子基“賽道”存儲器的相關工作.在Fe3Sn2中,我們將此前在MnNiGa合金中發現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現的具有最寬溫區(120—630 K)和最高溫度穩定存在的磁性斯格明子,具有更加廣泛的應用范圍.

2 實驗結果與討論

2.1 阻挫型室溫寬溫域磁斯格明子材料的發現

Fe3Sn2合金是一種少有的同時具有較高居里溫度(640 K)和阻挫型自旋結構的磁性材料[24?27].從晶體結構來看,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的晶體結構圖.文獻報道的粉末中子衍射[25]和本文的磁性測量結果表明(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平面內偏轉.當溫度低于100 K時,其自旋變為無序排列,進入自旋玻璃態[25?27].

圖1 Fe3 Sn2晶體結構、磁性能、磁疇模擬 (a)Fe3 Sn2結構示意圖;(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K u、飽和磁化強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.

上述結果表明,Fe3Sn2可以在100—640 K的極寬溫度范圍內具有非共線磁結構,這使其非常有希望在外加磁場下形成具有極高溫度穩定性的磁斯格明子.我們首先利用高溫Sn助溶劑方法制備高質量的Fe3Sn2單晶.圖1(c)是Fe3Sn2單晶體在光學顯微鏡下的照片,可以發現晶體呈薄片狀,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,經計算得到其剩余電阻比(R300K/R2K)高達70,這表明Fe3Sn2晶體具有非常高的質量.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的飽和磁化強度Ms和軸各向異性常數Ku.根據實驗獲得的參數,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Ku、飽和磁化強度Ms以及外加磁場H的變化,如圖1(d)所示.由此發現,其基態磁疇形態受Ms影響較小而與Ku大小緊密相關,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,見圖1(d).

為了進一步驗證理論模擬結果,我們利用聚焦離子束(FIB)從高質量的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.當外磁場為零時,樣品中出現條狀磁疇,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,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.隨著外加磁場的進一步增加,啞鈴狀的條紋疇逐漸消失,而磁泡數量逐漸增多.當外加磁場大于800 mT時,條紋疇完全轉化為磁泡,如圖2(c)和圖2(d)所示.通過對不同磁場下的磁泡襯度進行分析發現,其自旋拓撲結構隨磁場的變化而改變.在圖2(b)—(d)中,我們用白色方框標識出了三種具有不同自旋結構的磁泡(分別用數字“1”,“2”, “3”表示), 其自旋結構示意圖分別對應圖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構.從圖2(e)可知,其由兩個手性相反的布洛赫疇壁環繞組成,由于自旋結構不閉合,所以其拓撲數為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構,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)中觀測到了同樣結構的非平庸型磁泡.通過對其自旋結構進行分析可以知道其與磁斯格明子具有相同的拓撲數1.當磁場增加到860 mT時,“2”型非平庸型磁泡中的布洛赫疇壁進一步收縮而形成了“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構,因此其拓撲數同樣為1.“2”型和“3”型非平庸型磁泡具有相同的拓撲數,并且我們發現“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變換成“3”型非平庸型磁泡,因此二者是拓撲同胚的.通過上述實驗結果,我們證明在中心對稱的阻挫型磁體中同樣可以產生磁斯格明子,并可以在室溫條件下穩定存在.更有意思的是,其并不像手性斯格明子具有單一的自旋結構,本材料中的斯格明磁泡具有多種拓撲形態并可以隨磁場連續發生變化.我們的結果為深入探索磁斯格明子的形成和穩定機理提供了新的方向.

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,白色方框內為具有不同自旋結構的磁泡;(e)—(g)“1”,“2”,“3”類磁泡對應的自旋結構示意圖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.

我們進一步通過輸運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-平庸型磁泡轉變以及平庸型磁泡-斯格明子磁泡轉變磁場相近,因此我們認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化臨界點.當外加磁場高于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.進一步在100—400 K溫度范圍內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定性,其可以在100—400 K內穩定存在,這為我們進一步制備具有高溫度穩定性的磁斯格明子基“賽道”存儲器提供了材料基礎.

2.2 高溫度穩定性磁斯格明子基賽道存儲器件制備

上述結果表明,Fe3Sn2中的磁斯格明子具有非常好的溫度穩定性,本小節我們將著重介紹利用FIB技術,基于高質量的Fe3Sn2單晶,制備具有高溫度穩定性磁斯格明子基“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構,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構:最內層是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生的菲涅耳條紋,同時可以起到在減薄過程中保護Fe3Sn2層的作用.

圖4 基于高質量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”的邊界處環繞成一個類似于“半斯格明子”的磁疇結構.當磁場增加至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,與上面的實驗結果完全符合,這進一步證明了我們實驗結果的合理性.

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)微磁學模擬所建立的模型;(g)—(j)利用微磁學模擬的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微納加工技術設計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. 我們進一步利用洛倫茲電鏡的雙傾高溫桿(Model 652,Gatan Inc.),對其溫度穩定性進行了一系列的研究.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(條紋疇恰好完全轉變為斯格明子時的磁場)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,磁斯格明子非常穩定,甚至當溫度高達630 K時(居里溫度640 K),其依然能夠穩定存在.這也是迄今為止報道的具有最高穩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定性,我們將單個磁斯格明子的形狀假設為橢圓形,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a,b,d的大小隨溫度的變化.從圖中可得出其數值隨溫度的升高基本保持不變,這進一步說明了基于Fe3Sn2單晶的斯格明子基“賽道”存儲器具有極高的溫度穩定性.

3 結 論

磁性斯格明子是一種拓撲保護的渦旋磁疇結構.由于它的拓撲保護性、低驅動電流密度以及磁場、溫度和電場等多物理作用調控的特性,被認為是未來高密度、高速度、低能耗存儲器件的信息載體.本文報道了阻挫型磁體Fe3Sn2單晶中室溫寬溫域磁斯格明子的發現以及“賽道”存儲器件的系統研究工作.Fe3Sn2合金是一種少有的同時具有較高居里溫度(640 K)和阻挫型自旋結構的磁性材料.我們通過理論模擬、磁輸運測量、洛倫茲電鏡觀測相結合,證明了磁斯格明子可以在室溫下Fe3Sn2單晶中穩定存在,并具有多種拓撲結構.進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.對其溫度穩定性研究發現,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定性,將此前發現的雙渦旋磁性斯格明子MnNiGa的居里溫度從340 K提高到630 K,是迄今為止發現的最寬溫區(120—630 K)和最高溫度穩定存在的磁性斯格明子材料,具有更加廣泛的應用范圍.