CN111074129A - 一种稀土基磁性斯格明子材料、制备方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种稀土基磁性斯格明子材料、制备方法及其应用，其化学通式为稀土Ra(Mn1‑xGe1+x)bZc，其中R为Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb中的一种或多种的混合，Z为Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Al、Mg、Si，Sn、Cd中的一种或多种；20≤a≤25，75≤b≤80，0≤x≤0.1，0≤c≤10，a+b+c＝100，a、b、c、x表示原子百分比含量，本发明在20K‑400K温度范围内具有磁性斯格明子结构，而且具有原材料成本低廉、成分可控、是一种理想的基于斯格明子的磁存储和逻辑运算的候选材料，该方法工艺简单、适用于工业化。

Description

一种稀土基磁性斯格明子材料、制备方法及其应用
技术领域
本发明涉及一种稀土基磁性功能材料，尤其涉及一种稀土基磁性斯格明子材料、制备方法及其应用。
背景技术
随着社会信息化程度越来越高，对信息存储设备要求越来越高。储密度更高、能耗更低、读写速度更快的存储技术需要不断开发新技术和新材料来实现。
近年来磁性斯格明子(Skyrmions)的研究不断发展，利用磁性斯格明子的产生和湮灭可实现信息的存储。目前已在非中心对称的B20结构磁性材料、多铁材料Cu2OSeO3和Mn-Zn铁氧体材料、反铁磁耦合的双层以及多层膜体系和阻挫磁体中发现了磁性斯格明子磁畴结构。由于磁斯格明子具有磁畴结构单元尺寸小(1～500nm)、抗干扰能力强(存在拓扑保护)、磁畴翻转电流密度低(小于106A/m2)等特点，有望应用于高速稳定且低能耗的的新型磁存储及自旋电子学器件。
磁性斯格明子的涡旋磁畴结构是磁性系统中不同类型的能量相互竞争的结果。磁有序系统中稳定存在斯格明子的机理有四种分别是:长程偶极相互作用,Dzyaloshinskii-Moriya相互作用(DMI),阻挫交换相互作用以及四自旋相互作用,并且多种机理可能会同时存在。此外几何限制以及各种微磁学能量之间的竞争也可以自发地形成稳定的斯格明子基态。
信息存储要求材料在室温附近性能稳定，但目前发现的具有磁斯格明子磁畴的B20结构磁性材料和氧化物磁性材料相变温度低，不能在室温下产生斯格明子。而多层膜结构系统的制备需要昂贵的精密仪器，技术难度大，成本高。因此寻找合适的斯格明子磁性材料是实现大规模应用亟待解决的问题。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种稀土基磁性斯格明子材料、制备方法及其应用。
一种稀土基磁性斯格明子材料，其化学通式为稀土Ra(Mn1-xGe1+x)bZc，其中R为Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb中的一种或多种的混合，Z为Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Al、Mg、Si，Sn、Cd中的一种或多种；20≤a≤25，75≤b≤80，0≤x≤0.1，0≤c≤10，a+b+c＝100，a、b、c、x表示原子百分比含量，所述的稀土Ra(Mn1-xGe1+x)bZc材料在20K-400K温度范围内具有稳定的磁性斯格明子磁畴结构。
一种稀土基磁性斯格明子材料的制备方法，该方法具体包括以下步骤：
步骤一：按照化学式称量稀土、Mn、Ge、Z原料；
步骤二：在真空或惰性气体保护下、采用电弧、感应或电阻加热的方式将步骤一中的原料加热到熔化并保持1-3分钟；
步骤三：将上一步骤所得产物翻转后，采用电弧、感应或电阻加热的方式再次加热至熔化并保持1-3分钟，此步骤可重复2-5次；
步骤四：将所得产物加热至200-1100摄氏度真空或惰性气体下保护下退火8-74小时，得到均匀的Ra(Mn1-xGe1+x)bZc磁性斯格明子材料。
一种稀土基磁性斯格明子材料在基于斯格明子的磁存储器中的应用。
一种稀土基磁性斯格明子材料在基于斯格明子的逻辑运算的应用。
本发明相对现有技术所具有的效果：本发明所提供的在室温以及低温区均具有稳定的斯格明子磁畴结构，而且具有原材料成本低廉、成分可控、是一种理想的基于斯格明子的磁存储和逻辑运算的候选材料，材料的制备方法简单、适用于工业化生产。
具体实施方式
下面对本发明做进一步的分析，但具体实施案例并不对本发明作任何限定。
实施例1：
本实施例制备化学式Nd20Mn40Ge40的磁性斯格明子材料，其制备方法按以下具体步骤进行：
步骤一：按摩尔比Nd：Mn：Ge＝20:40:40的比例，分别称量纯度为99.9％的Nd、Mn、Ge原料；
步骤二：将称好的原料放入水冷坩埚中，在Ar气体保护下，采用电弧熔炼的原料加热到熔化并保持1分钟；
步骤三：将步骤二所得产物翻转后，再次利用电弧熔炼加热至熔化，并保持1分钟，重复此步骤3次；
步骤四：将所得得到Nd20Mn40Ge40锭子加热到600摄氏度真空下退火48小时，获得多晶块体。
利用磁性测量和洛伦兹电镜测试上述所得块体，表明材料在180-320K温度范围内形成稳定的斯格明子磁畴。
实施例2：
本实施例制备化学式Pr22Mn38Ge40的磁性斯格明子材料，其制备方法按以下具体步骤进行：
步骤一：按摩尔比Pr：Mn：Ge＝22:38:40的比例，分别称量纯度为99.9％的Pr、Mn、Ge原料；
步骤二：将称好的原料放入水冷坩埚中，在Ar气体保护下、采用感应熔炼的原料加热到熔化并保持2分钟；
步骤三：将步骤二所得产物翻转后，再次利用电弧熔炼加热至熔化，并保持1分钟；
步骤四：将所得得到Pr22Mn38Ge40锭子加热到900摄氏度真空下退火68小时，获得多晶块体。
利用磁性测量和洛伦兹电镜测试上述所得块体，表明材料在160-330K温度范围内具有斯格明子磁畴结构。
实施例3：
本实施例制备化学式Yb12La10Mn35Ge39Fe2Si2的磁性斯格明子材料，其制备方法按以下具体步骤进行：
步骤一：按摩尔比Yb:La:Mn:Ge:Fe:Si＝12:10:35:39:2:2的比例，分别称量纯度为99.9％的Yb、La、Mn、Ge、Fe、Si原料；
步骤二：将称好的原料放入水冷坩埚中，在Ar气体保护下、采用电弧熔炼的原料加热到熔化并保持1分钟；
步骤三：将步骤二所得产物翻转后，再次利用电弧熔炼加热至熔化，并保持3分钟，重复此步骤3次；
步骤四：将所得得到Yb12La10Mn35Ge39Fe2Si2锭子加热到200摄氏度真空下退火48小时，获得多晶块体。
利用磁性测量和洛伦兹电镜测试上述所得块体，表明Yb20Mn37Ge39Fe2Si2材料在70-210K温度范围内形成稳定的斯格明子磁畴。
实施例4：
本实施例制备化学式La15Gd8Mn38Ge35Sn5的磁性斯格明子材料，其制备方法按以下具体步骤进行：
步骤一：按摩尔比La:Gd:Mn:Ge:Sn＝15:8:38:35:5的比例，分别称量纯度为99.9％的La、Gd、Mn、Ge、Sn原料；
步骤二：将称好的原料放入水冷坩埚中，在Ar气体保护下、采用感应熔炼的原料加热到熔化并保持2分钟；
步骤三：将步骤二所得产物翻转后，再次利用电弧熔炼加热至熔化，并保持2分钟；
步骤四：将所得得到La15Gd8Mn38Ge35Sn5锭子加热到900摄氏度真空下退火12小时，获得多晶块体。
利用磁性测量和洛伦兹电镜测试上述所得块体，表明La15Gd8Mn38Ge35Sn5材料在60-280K温度范围内具有斯格明子磁畴结构。
实施例5：
本实施例制备化学式Ce14Dy7Mn38Ge36Ni2Cd3的磁性斯格明子材料，其制备方法按以下具体步骤进行：
步骤一：按摩尔比Ce:Dy:Mn:Ge:Ni:Cd＝14:7:38:36:2:3的比例，分别称量纯度为99.9％的Ce、Dy、Mn、Ge、Ni、Cd原料；
步骤二：将称好的原料放入水冷坩埚中，在真空下、采用电阻加热的方法将原料加热到熔化并保持3分钟；
步骤三：将步骤二所得产物翻转后，再次利用电弧熔炼加热至熔化，并保持1分钟；
步骤四：将所得得到Ce14Dy7Mn38Ge36Ni2Cd3锭子加热到700摄氏度真空下退火28小时，获得多晶块体。
利用磁性测量和洛伦兹电镜测试上述所得块体，表明Ce14Dy7Mn38Ge36Ni2Cd3材料在20-140K温度范围内具有斯格明子磁畴结构。

Claims (4)

1.一种稀土基磁性斯格明子材料，其特征在于：其化学通式为稀土Ra(Mn1-xGe1+x)bZc，其中R为Y、La、Ce、Pr、Nd、Sm、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb中的一种或多种的混合，Z为Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Al、Mg、Si，Sn、Cd中的一种或多种；20≤a≤25，75≤b≤80，0≤x≤0.1，0≤c≤10，a+b+c＝100，a、b、c、x表示原子百分比含量，所述的稀土Ra(Mn1-xGe1+x)bZc材料在20K-400K温度范围内具有稳定的磁性斯格明子磁畴结构。
2.根据权利要求1所述的一种稀土基磁性斯格明子材料的制备方法，其特征在于：
步骤一：按照化学式称量稀土、Mn、Ge、Z原料；
步骤二：在真空或惰性气体保护下、采用电弧、感应或电阻加热的方式将步骤一中的原料加热到熔化并保持1-3分钟；
步骤三：将上一步骤所得产物翻转后，采用电弧、感应或电阻加热的方式再次加热至熔化并保持1-3分钟，此步骤可重复2-5次；
步骤四：将所得产物加热至200-1100摄氏度真空或惰性气体下保护下退火8-74小时，得到均匀的Ra(Mn1-xGe1+x)bZc磁性斯格明子材料。
3.根据权利要求1所述的一种稀土基磁性斯格明子材料在基于斯格明子的磁存储器中的应用。
4.根据权利要求1所述的一种稀土基磁性斯格明子材料在基于斯格明子的逻辑运算的应用。
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