CN105950941B - 一种磁性斯格明子材料 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁性斯格明子材料，其化学通式为(Mn_100‑δNi_δ)_αGa_β，其中，61.6≤α≤69，15≤δ≤50，31≤β≤38.4，α+β＝100，α、β、δ表示原子百分比含量。本发明的材料具有稳定的宽温域室温磁性斯格明子纳米磁筹结构，作为磁存储单元可在室温稳定工作，是理想的磁存储和信息转换等自旋电子学器件的候选材料。

Description

一种磁性斯格明子材料

技术领域

本发明涉及磁性材料，尤其涉及一种磁性斯格明子材料。

背景技术

随着现代电子信息技术的高速发展，对磁信息存储器件的存储密度和能耗提出了越来越高的要求，而器件的持续小型化也带来了诸如顺磁物理极限和焦耳热等问题，亟待开发可用于信息存储的新型磁性材料。

最近几年，在螺旋磁体中发现了一类全新的类涡旋状自旋结构—磁性斯格明子(Skyrmions)，由于其具有(1)极小的磁畴结构单元(10～100nm)；(2)拓扑保护性(不受杂质等干扰)；(3)低临界磁畴翻转电流密度(＜10⁶A/m²)等特点，有望应用于高密度和低能耗的新一代磁存储及自旋转移矩等自旋电子学器件。

磁性斯格明子作为一种特殊的涡旋磁畴结构，其形成是磁性系统中不同类型的能量相互竞争的结果。除了存在一些特殊的磁性体系，如阻挫型的磁结构或四自旋系统等，目前认为主要存在以下两种机制：一种是反对称的Dzyaloshinskii-Moriya(DM)相互作用与海森堡直接交换作用竞争；另外一种是磁偶极相互作用与单轴各向异性的相互竞争。

基于非中心对称DM相互作用的B20结构金属螺旋磁体是最早被预言并被实验直接证实的斯格明子体系，如MnSi、FeCoSi、FeGe、MnGe等。最近多铁材料Cu₂OSeO₃和Mn-Zn铁氧体材料相继发现了磁性斯格明子磁畴结构。但是这几类材料体系都表现出共同的缺点：居里温度低(斯格明子出现在居里温度附近及以下)以及磁性斯格明子成相温区较窄(目前块体中的斯格明子一般只存在居里温度附近的几K范围)。这些现存的问题，阻碍了现有磁性斯格明子材料在磁存储器件中的应用。

发明内容

因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种磁性斯格明子材料，其化学通式为(Mn_100-δNi_δ)_αGa_β，其中，61.6≤α≤69，15≤δ≤50，31≤β≤38.4，α+β＝100，α、β、δ表示原子百分比含量。

根据本发明的磁性斯格明子材料，优选地，63.3≤α≤66.6，20≤δ≤50，33.3≤β≤36.7。

根据本发明的磁性斯格明子材料，优选地，α＝63.3，β＝36.7，δ＝20。

根据本发明的磁性斯格明子材料，优选地，α＝66.6，β＝33.3，δ＝50。

根据本发明的磁性斯格明子材料，优选地，α＝65，β＝35，δ＝30。

根据本发明的磁性斯格明子材料，优选地，α＝65，β＝35，δ＝50。

本发明还提供了一种磁性斯格明子材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：按照化学式称量Mn、Ni、Ga原料；

步骤二：采用电弧熔炼法将所述原料制备为磁性斯格明子材料。

本发明提供的磁性斯格明子材料是一种宽温域室温磁斯格明子材料，其克服当前磁斯格明子材料的工作温度偏低和形成温区较窄的不足，可在较大的成分范围内调控，不仅具有室温斯格明子磁畴结构，而且表现出大的拓扑霍尔效应等性能，是理想的磁存储器件的候选材料。

附图说明

以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：

图1是本发明的实施例1得到的Mn_32.5Ni_32.5Ga₃₅合金不同温度下霍尔电阻-磁场曲线；

图2是利用洛伦兹电镜观察到的本发明的实施例1的Mn_32.5Ni_32.5Ga₃₅合金在不同温度的斯格明子纳米磁畴结构；

图3是本发明实施例2得到的Mn_50.64Ni_12.66Ga_36.7合金的室温x射线衍射图谱；

图4是本发明实施例2-4得到Mn_50.64Ni_12.66Ga_36.7、Mn_45.5Ni_19.5Ga₃₅以及Mn_33.3Ni_33.3Ga_33.3合金薄带低场磁化强度-温度变化曲线；

图5是本发明实施例2得到的Mn_33.3Ni_33.3Ga_33.3合金不同温度下磁化强度-磁场曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在如下各个实施例中，发明人分别测量了所得到的样品的室温x射线衍射图谱、低场磁化强度-温度变化曲线、磁化强度-磁场曲线和霍尔电阻-磁场曲线，并用洛伦兹电镜观察了其斯格明子纳米磁筹结构。但是为了简便，仅示出了其中几种样品的结果，其他样品的对应特性有类似的结果。另外，表1给出了多种不同成分的(Mn_100-δNi_δ)_αGa_β材料的晶格常数和居里温度。

实施例1

本实施例制备化学式Mn_32.5Ni_32.5Ga₃₅的具有大磁热效应的磁性斯格明子材料，其制备方法按以下具体步骤进行：

(1)按Mn：Ni：Ga＝32.5：32.5：35的比例，分别称量纯度为99.95％的Mn、Ni、Ga金属原料；

(2)将称好的原料放入冷水铜坩埚中，用机械泵将电弧炉腔体真空度抽至2×10^{- 3}Pa以下，随后通入氩气作为保护气体，熔炼电流100A，每个样品翻转3次，共熔炼5次以保证成分均匀；

(3)所获得的钮扣锭子材料密封在真空石英管内，在1000℃退火72小时进行均匀化退火处理，然后再以2℃/秒的降温速率逐渐冷却至室温，获得直径1cm的多晶块体锭材；

(4)将上述多晶块体锭材用电火花线切割机加工制备成长5mm×宽3mm×厚0.5mm形状的样品；同时取部分样品进行研磨，制备成粉末。

测量所得样品的前述各种特性，样品的居里温度和晶胞参数见表1。该样品在不同温度下的霍尔电阻-磁场曲线见图1。洛伦兹电镜表明Mn_32.5Ni_32.5Ga₃₅材料在零场下是条纹磁畴结构，随着垂直磁场的增大，条纹磁畴逐渐向涡旋状的斯格明子纳米磁畴结构转变。图2示出了Mn_32.5Ni_32.5Ga₃₅材料在不同温度下，在磁场0.3T情况下洛伦兹电镜获得斯格明纳米磁畴结构。可以看出，该样品在居里温度以下的100K-340K温度范围内形成斯格明子纳米磁畴结构，温区宽至240K。

实施例2

本实施例制备化学式为Mn_50.64Ni_12.66Ga_36.7的具有室温斯格明子纳米磁畴结构的磁性合金，其制备方法按以下具体步骤进行：

(1)按Mn：Ni：Ga＝50.64：12.66：36.7的比例，分别称量纯度为99.95％的Mn、Ni、Ga金属原料；

(2)将称好的原料放入冷水铜坩埚中，用机械泵将电弧炉腔体真空度抽至2×10^{- 3}Pa以下，随后通入氩气作为保护气体，熔炼电流100A，每个样品翻转3次，共熔炼5次以保证成分均匀；

(3)所获得的钮扣锭子材料密封在真空石英管内，在850℃退火120小时进行均匀化退火处理，然后再以2℃/秒的降温速率逐渐冷却至室温，获得直径1cm的多晶块体锭材；

(4)将上述多晶块体锭材用电火花线切割机加工制备成长5mm×宽3mm×厚0.5mm形状的样品；同时取部分样品进行研磨，制备成粉末。

测量所得样品的前述各种特性，其室温x射线衍射图谱见图3，可以看出，该样品在室温为六角NI₂In结构。样品的居里温度和晶胞参数见表1。图4示出了Mn_50.64Ni_12.66Ga_36.7的磁化强度-温度变化曲线，其居里温度为约165K。同样采用洛伦兹电镜观察Mn_50.64Ni_12.66Ga_36.7样品，发现其在100K-350K的范围内的磁性斯格明子磁筹结构。

实施例3

本实施例制备化学式为Mn_33.3Ni_33.3Ga_33.3的具有室温磁性斯格明子纳米磁畴结构的磁性合金，其制备方法按以下具体步骤进行：

(1)Mn：Ni：Ga＝33.3：33.3：33.3的比例，分别称量纯度为99.95％的Mn、Ni、Ga金属原料；

(2)将称好的原料放入冷水铜坩埚中，用机械泵将电弧炉腔体真空度抽至2×10^{- 3}Pa以下，随后通入氩气作为保护气体，熔炼电流100A，每个样品翻转3次，共熔炼5次以保证成分均匀；

(3)所获得的钮扣锭子材料密封在真空石英管内，在850℃退火120小时进行均匀化退火处理，然后再以2℃/秒的降温速率逐渐冷却至室温，获得直径1cm的多晶块体锭材；

(4)将适当大小的电弧熔炼的多晶块锭材放入一个底部带有小孔的石英管内，安放到甩带机炉腔内，利用机械泵将腔体抽真空到10^-3Pa以下，炉腔内通入高纯氩气，压强为-0.05MPa，采用感应加热，使合金处于熔融状态，然后打开气体控制阀，从石英管上部吹入具有0.05MPa的高纯氩气使熔融合金液体从小孔中喷射到线速度为25m/s的高速旋转的铜轮上快速甩出，获得宽度为3～4mm、厚度为30～50μm的带材。

测量所得样品的前述各种特性，样品的居里温度和晶胞参数见表1。图4示出了Mn_33.3Ni_33.3Ga_33.3的磁化强度-温度变化曲线，可以看出，其居里温度为约350K。该合金薄带样品在不同温度下的磁化强度-磁场曲线见图4，其表明了该样品在居里温度以下宽温域的铁磁行为。洛伦兹电镜观察到Mn_33.3Ni_33.3Ga_33.3样品的斯格明子磁筹结构存在于100K-340K的温度范围内。

实施例4

本实施例制备化学式Mn_45.5Ni_19.5Ga₃₅的具有磁性斯格明子纳米畴结构的磁性合金；除组成比例为Mn：Ni：Ga＝45.5：19.5：35，除样品退火温度为900℃，退火时间为72小时之外，其余步骤同实施例1。测量所得样品的前述各种特性，获得各种特性曲线，样品的居里温度和晶胞参数见表1，图4示出了Mn_45.5Ni_19.5Ga₃₅的磁化强度-温度变化曲线，可以看出，其居里温度为约224K。洛伦兹电镜观察到Mn_45.5Ni_19.5Ga₃₅样品的斯格明子磁筹结构存在于100K-350K的温度范围内。

根据本发明的其他实施例，制备了多种其他(Mn_100-δNi_δ)_αGa_β材料，其具体组分和相应的晶格常数和居里温度如表1所示。

根据本发明的其他实施例，除了上述电弧熔炼法，还可以采用本领域公知的任意其他方法将原料制备为磁性斯格明子材料。

虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。

表1

Claims (7)

1.一种磁性斯格明子材料，其化学通式为(Mn_100-δNi_δ)_αGa_β，其中，61.6≤α≤69，15≤δ≤50，31≤β≤38.4，α+β＝100，α、β、δ表示原子百分比含量。

2.根据权利要求1所述的磁性斯格明子材料，其中，63.3≤α≤66.6，20≤δ≤50，33.3≤β≤36.7。

3.根据权利要求2所述的磁性斯格明子材料，其中，α＝63.3，β＝36.7，δ＝20。

4.根据权利要求2所述的磁性斯格明子材料，其中，α＝65，β＝35，δ＝30。

5.根据权利要求2所述的磁性斯格明子材料，其中，α＝65，β＝35，δ＝50。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的磁性斯格明子材料的制备方法，包括以下步骤：

步骤一：按照化学式称量Mn、Ni、Ga原料；

步骤二：采用电弧熔炼法将所述原料制备为磁性斯格明子材料。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的磁性斯格明子材料在磁信息存储器件中的用途。