柔性磁致伸缩FeGa纳米点阵中涡旋态的应力调控研究

The vortex states in magnetic nanodots have recently attracted great attention not only for their scientific significance in spintronics but also for the wide application to the development of next generation high density magnetic storage. During polarization switching of vortex states, the energy barrier to be overcome is as high as over ten eV so that it is hardly to realize the switching at low fields. For magnetic nanodots, their vortex core polarization switching energy barrier could be lowered by adjustment of geometrical shape anisotropy or application of external stress. The stress can change the magnetic structure of vortex state and produce much less demagnetic field than magnetic field. Therefore, the mechanism for stress tuned vortex state will differ from that by using magnetic field. In this project, we plan to fabricate magnetostrictive FeGa nanodots onto flexible substrate. With the consideration of geometrical shape and stress distribution, we will investigate the stress-controlled vortex polarization switching process by magnetic force microscopy, which may achieve switching under very low magnetic field. Using micromagnetic simulation we will clarify the mechanism of vortex polarization switching dynamics under stress field. This study will contribute the development of vortex random access memory devices.

近年来，磁性纳米点阵中的涡旋态引起了国内外研究人员的广泛关注，研究磁涡旋态不仅对自旋电子学的发展有重要的科学意义，而且在开发下一代高密度磁存储器方面具有广阔的应用前景。 涡旋态发生极性翻转时需要克服的势垒高达十几个电子伏特，以至于无法实现低磁场下的翻转。 通过形状各向异性和应力对磁性纳米点阵中涡旋态进行调控，有望降低涡旋核极性翻转势垒。 应力场可以改变涡旋态的磁结构，与磁场不同的是，应力在材料中产生的退磁场小。因此，应力对磁涡旋态的调控规律将与磁场有显著区别。本项目拟在柔性衬底上制备磁致伸缩FeGa纳米点阵，通过控制纳米点的几何形状并考虑到应力分布，研究应力作用下涡旋态手性和极性的调控规律，并有望实现低场下涡旋态极性的翻转。 通过微磁学模拟计算，阐明应力对涡旋态翻转的动力学行为的调控机制。 该项目研究对于开发基于涡旋态的随机存储器具有一定的参考意义。

随着信息技术的进步，电子器件日益小型化且工作频率越来越高。因此，电子设备中的磁性单元的工作频率也越来越高。磁性薄膜的动态磁学性能研究，对于开发逻辑器件，自旋电子学器件，高速数据存储以及微波器件等方面都具有重要的指导意义。对于微波器件，高频下的可调谐的磁导率是实现铁磁共振频率调控的前提条件。此外，在磁性薄膜中引入磁各向异性，可以在零磁场条件下实现铁磁共振，从而降低能耗并为器件的小型化创造条件。与连续薄膜相比，图案化薄膜可以表现出更加丰富的动态、静态磁学性能。.本项目系统研究了磁致伸缩FeGa条带在外加张应力、压应力的作用下，铁磁共振峰的调控情况。由于FeGa材料具有优异的延展性，磁致伸缩系数大，抗冲击性强，是制备柔性磁致伸缩薄膜的理想材料。通过弯曲应变，磁致伸缩材料受到柔性衬底传递过来的张应力、压应力，应力能的增加会改变磁性薄膜的吉布斯自由能，磁化强度分布状态会在应力能的作用下发生改变，从而对铁磁共振峰的频率产生影响。我们研究了FeGa条带厚度为10 nm，宽度为30-80 nm，长度为200-1000 nm中铁磁共振峰随着条带宽度和长度的变化情况。通过微磁学数值计算以及快速傅里叶分析，发现FeGa条带中的两个铁磁共振峰主要来自于“体模式”和“边缘模式”。条带的几何尺寸以及应力都可以有效的调控FeGa条带的铁磁共振峰的位置。在“体模式”和“边缘模式”共振峰之间，还存在一个2阶边缘模式共振峰，这是关于铁磁条带中，2阶“边缘模式”共振峰的首次报道。2阶“边缘模式”共振峰随着应力从-80 MPa增加到80 MPa，高阶模式共振峰的频率从13.6GHz下降为12.2 GHz。因此，高阶边缘模式峰也可以通过应力进行调控。.在应力（-80 MPa~ 80 MPa）的作用下，高频“体模式”共振峰可以实现15.24 GHz 到19.00 GHz的变化，低频“边缘模式”共振峰可以实现5.97 GHz到8.75 GHz的调控。 通过研究应力作用下，FeGa条带末端处磁化强度的分布状态，我们发现FeGa条带磁化强度分布状态在样品边缘附近的局域非均匀分布在外力作用下体积的变化是调控铁磁共振峰频率的关键因数。