CN111180575A - 一种二维磁涡旋网络的构筑方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于磁信息存储与传输领域，涉及一种二维磁涡旋网络的构筑方法。所采用的主体为在由含有Fe、Co或Ni元素的铁磁性材料制备成的薄膜上通过纳米结构微加工的方式加工出的通道结构；所述的通道结构包括铁磁性纳米带、铁磁性纳米盘、偏置纳米磁体和涡旋耦合器。通过调整铁磁性纳米带的个数、铁磁性纳米盘的个数、及外加磁场配置，可以控制二维网格中磁涡旋的个数。该技术可服务于磁信息存储、磁性器件、磁拓扑结构、及磁信息处理等重要领域。

Description

一种二维磁涡旋网络的构筑方法
技术领域
本发明属于磁信息存储与传输领域，涉及一种二维磁涡旋网络的构筑方法。
背景技术
磁涡旋是一种基本的磁拓扑结构，通常存在于含有Fe、Co、Ni元素的铁磁性材料中。近年来，对于磁涡旋结构的构筑等重要科学问题的研究引起了学术界的广泛关注，该问题的研究有助于实现自旋电子学相关磁性器件的超微型化、多功能化、低能耗化和高集成化。然而，现有的技术方法主要集中在单个或两个磁涡旋的构筑，对于二维磁涡旋网络的构筑方法尚未见报道。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种二维磁涡旋网络的构筑方法。
为实现上述目的，本发明的技术方案：
一种二维磁涡旋网络的构筑方法，所采用的主体为在由含有Fe、Co或Ni元素的铁磁性材料制备成的薄膜上通过纳米结构微加工的方式加工出的通道结构；所述的通道结构包括铁磁性纳米带1、铁磁性纳米盘2、偏置纳米磁体3和涡旋耦合器4。
所述的铁磁性纳米盘2用于产生磁涡旋，为对称结构；铁磁性纳米盘2的个数为铁磁性纳米带1的根数两倍；铁磁性纳米盘2的形状可以是正方形或圆形等对称图形。
所述的铁磁性纳米带1为长方形，宽度小于800nm，长度大于2μm；铁磁性纳米带1的两端均与一个铁磁性纳米盘2相连通，二者相互垂直且同轴；铁磁性纳米带1的根数至少为2根，数量由磁涡旋的个数决定，多根铁磁性纳米带1相互平行布置。
所述的偏置纳米磁体3用于调控磁涡旋的手型，形状为平行四边形；每个铁磁性纳米带1与两个偏置纳米磁体3相互交叉连通，形成X状；以与铁磁性纳米带1相垂直的对称轴为对称中心，两个偏置纳米磁体3相互对称，且铁磁性纳米带1与偏置纳米磁体3之间的夹角θ为30°～80°或100°～150°。
所述的涡旋耦合器4用于耦合二维磁涡旋链，形状为长方形；每两个相邻的铁磁性纳米带1之间设有一个涡旋耦合器4，涡旋耦合器4的两端分别与相邻两个铁磁性纳米带1连通，涡旋耦合器4与铁磁性纳米带1相互垂直且同轴；以涡旋耦合器4为对称轴，每个铁磁性纳米带1上，同一侧的偏置纳米磁体3的布置方向相同，不同侧的偏置纳米磁体3的布置方向相反。
其中，铁磁性材料制备成的薄膜采用传统磁控溅射技术，纳米结构微加工采用传统电子束曝光及离子束刻蚀方法进行制备。
以左侧铁磁性纳米盘2为原点，设定磁涡旋铁磁性纳米带1为x轴，从左向右为正x轴向，垂直于磁涡旋铁磁性纳米带1的方向为y轴，磁涡旋铁磁性纳米带1以上的部分为+y轴向，磁涡旋铁磁性纳米带1与偏置纳米磁体3中位于+y轴部分之间的夹角为θ；对主体沿-x方向进行退磁，当夹角为θ为30°～80°时，磁涡旋从左至右通过偏置纳米磁体3之后为顺时针状态；当夹角θ为100°～150°时，磁涡旋从右至左通过偏置纳米磁体3之后为顺时针状态。
具体的构筑过程如下：
第一步、构筑一维三磁涡旋结构
(1.1)对主体进行退磁，铁磁性纳米盘2中自发产生磁涡旋结构；
(1.2)对主体施加磁场，磁场大小为50-1000Oe，磁场方向平行于铁磁性纳米带1，磁涡旋由铁磁性纳米盘2注入到铁磁性纳米带1；
(1.3)改变施加磁场的配置，磁场大小为100-1000Oe，磁场方向平行于铁磁性纳米带1，且磁场大小大于步骤(1.3)中的磁场大小，磁涡旋经过偏置纳米磁体3与铁磁性纳米带1的交叉部位后，穿过偏置纳米磁体3进入到铁磁性纳米带1中，此时磁场减小为0，磁涡旋位于偏置纳米磁体3与涡旋耦合器4之间的铁磁性纳米带1中；
(1.4)改变施加磁场的配置，磁场大小为5-100Oe，磁场方向平行于铁磁性纳米带1，磁涡旋在铁磁性纳米带1中耦合形成三磁涡旋结构，三磁涡旋结构位于与涡旋耦合器4相对的铁磁性纳米带1中的位置处；
第二步、构筑二维磁涡旋网络结构
(2.1)将磁场减小为0，上下相邻铁磁性纳米带1中的三磁涡旋结构相互作用耦合，在涡旋耦合器4中形成一个单涡旋，且铁磁性纳米带1中原有的三磁涡旋结构位置不变；
(2.2)改变施加磁场的配置，磁场方向垂直于铁磁性纳米带1，磁场大小为50-1000Oe，步骤(2.1)中形成的单涡旋在涡旋耦合器4中开始发生磁畴壁位移，且铁磁性纳米带1中原有的三磁涡旋结构位置不变；
(2.3)改变施加磁场的配置，磁场方向垂直于铁磁性纳米带1，磁场大小为100-1000Oe，且磁场大小大于步骤(2.2)中的磁场大小，单涡旋在涡旋耦合器4中继续发生磁畴壁位移，且铁磁性纳米带1中原有的三磁涡旋结构位置不变；
(2.4)改变施加磁场的配置，磁场方向垂直于铁磁性纳米带1，磁场大小为130-1000Oe，且磁场大小大于步骤(2.3)中的磁场大小，此时单涡旋消除，三磁涡旋结构由铁磁性纳米带1注入到涡旋耦合器4中；
(2.5)改变施加磁场的配置，磁场方向垂直于铁磁性纳米带1，磁场大小为150-1000Oe，且磁场大小大于步骤(2.4)中的磁场大小，多个三磁涡旋结构在涡旋耦合器4中形成二维磁涡旋网络结构。
每一步中施加的磁场大小取决于铁磁性材料的具体成分。
本发明的有益效果：
本发明方法可以构筑二维磁涡旋网络结构，通过调整铁磁性纳米带的个数、铁磁性纳米盘的个数、及外加磁场配置，可以控制二维网格中磁涡旋的个数。该技术可服务于磁信息存储、磁性器件、磁拓扑结构、及磁信息处理等重要领域。
附图说明
图1是本发明构筑二维磁涡旋网络时所采用的主体结构SEM图。
图2是构筑一维三磁涡旋结构时第一次施加磁场的磁力显微镜图像。
图3是构筑一维三磁涡旋结构时第二次施加磁场的磁力显微镜图像。
图4是构筑一维三磁涡旋结构时第三次施加磁场的磁力显微镜图像。
图5是构筑二维磁涡旋网络时第一次施加磁场的磁力显微镜图像。
图6是构筑二维磁涡旋网络时第二次施加磁场的磁力显微镜图像。
图7是构筑二维磁涡旋网络时第三次施加磁场的的磁力显微镜图像。
图8是构筑二维磁涡旋网络时第四次施加磁场的的磁力显微镜图像。
图9是构筑二维磁涡旋网络时第五次施加磁场的的磁力显微镜图像。
图中：1铁磁性纳米带；2铁磁性纳米盘；3偏置纳米磁体；4涡旋耦合器。
图中白色横线代表2μm。
具体实施方式
以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。
本发明的一种二维磁涡旋网络的构筑方法，所采用的主体为在由含有Fe、Co或Ni元素的铁磁性材料制备成的薄膜上通过纳米结构微加工的方式加工出的通道结构；所述的通道结构包括铁磁性纳米带1、铁磁性纳米盘2、偏置纳米磁体3和涡旋耦合器4，如图1所示。
第一步：一维三磁涡旋结构的构筑方法，如图2-4所示。所述主体沿-x方向退磁，铁磁性纳米盘2中自发产生磁涡旋结构。图2是所述主体第一次施加磁场时的磁力显微镜图像，外加磁场大小为75Oe，磁场沿x方向，两个磁涡旋注入到铁磁性纳米带1。图3是所述主体第二次施加磁场时的磁力显微镜图像，外加磁场增加至150Oe，磁场沿x方向，两个磁涡旋通过偏置纳米磁体3，左侧磁涡旋手性发生改变(由逆时针变为顺时针)，此时磁场减小至0Oe。图4是所述主体第三次施加磁场时的磁力显微镜图像，外加磁场由0Oe增加至10Oe，磁场沿x方向，两个磁涡旋在铁磁性纳米带1中形成三磁涡旋结构。
第二步：二维磁涡旋网络的构筑方法，如图5-9所示。图5是第一次施加磁场时所述涡旋耦合器4的磁力显微镜图像，磁场减小为0，两个三磁涡旋结构在涡旋耦合器4中相互作用，形成多涡旋耦合状态。图6是第二次施加磁场时所述涡旋耦合器4的磁力显微镜图像，外加磁场大小为50Oe，磁场沿-y方向。图7是第三次施加磁场时所述涡旋耦合器4的磁力显微镜图像，外加磁场增加至100Oe，磁场沿-y方向。图8是第四次施加磁场时所述涡旋耦合器4的磁力显微镜图像，外加磁场增加至130Oe，磁场沿-y方向。图9是第五次施加磁场时所述涡旋耦合器4的磁力显微镜图像，外加磁场增加至150Oe，磁场沿-y方向，形成二维磁涡旋网络结构。基于所述主体的纳米结构，通过进一步增加铁磁性纳米带1的个数，可形成N涡旋网格(N＝9，15，21......)，满足N＝6n-3，n为铁磁性纳米带1的个数，n≥2。

Claims (3)

1.一种二维磁涡旋网络的构筑方法，其特征在于，所采用的主体为在由含有Fe、Co或Ni元素的铁磁性材料制备成的薄膜上通过纳米结构微加工的方式加工出的通道结构；所述的通道结构包括铁磁性纳米带(1)、铁磁性纳米盘(2)、偏置纳米磁体(3)和涡旋耦合器(4)；
所述的铁磁性纳米盘(2)用于产生磁涡旋，为对称结构；铁磁性纳米盘(2)的个数为铁磁性纳米带(1)的根数两倍；
所述的铁磁性纳米带(1)为长方形，宽度小于800nm，长度大于2μm；铁磁性纳米带(1)的两端均与一个铁磁性纳米盘(2)相连通，二者相互垂直且同轴；铁磁性纳米带(1)的根数至少为2根，数量由磁涡旋的个数决定，多根铁磁性纳米带(1)相互平行布置；
所述的偏置纳米磁体(3)用于调控磁涡旋的手型，形状为平行四边形；每个铁磁性纳米带(1)与两个偏置纳米磁体(3)相互交叉连通，形成X状；以与铁磁性纳米带(1)相垂直的对称轴为对称中心，两个偏置纳米磁体(3)相互对称，且铁磁性纳米带(1)与偏置纳米磁体(3)之间的夹角θ为30°～80°或100°～150°；
所述的涡旋耦合器(4)用于耦合二维磁涡旋链，形状为长方形；每两个相邻的铁磁性纳米带(1)之间设有一个涡旋耦合器(4)，涡旋耦合器(4)的两端分别与相邻两个铁磁性纳米带(1)连通，涡旋耦合器(4)与铁磁性纳米带(1)相互垂直且同轴；以涡旋耦合器(4)为对称轴，每个铁磁性纳米带(1)上，同一侧的偏置纳米磁体(3)的布置方向相同，不同侧的偏置纳米磁体(3)的布置方向相反；
具体的构筑过程如下：
第一步、构筑一维三磁涡旋结构
(1.1)对主体进行退磁，铁磁性纳米盘(2)中自发产生磁涡旋结构；
(1.2)对主体施加磁场，磁场大小为50-1000Oe，磁场方向平行于铁磁性纳米带(1)，磁涡旋由铁磁性纳米盘(2)注入到铁磁性纳米带(1)；
(1.3)改变施加磁场的配置，磁场大小为100-1000Oe，磁场方向平行于铁磁性纳米带(1)，且磁场大小大于步骤(1.3)中的磁场大小，磁涡旋经过偏置纳米磁体(3)与铁磁性纳米带(1)的交叉部位后，穿过偏置纳米磁体(3)进入到铁磁性纳米带(1)中，此时磁场减小为0，磁涡旋位于偏置纳米磁体(3)与涡旋耦合器(4)之间的铁磁性纳米带(1)中；
(1.4)改变施加磁场的配置，磁场大小为5-100Oe，磁场方向平行于铁磁性纳米带(1)，磁涡旋在铁磁性纳米带(1)中耦合形成三磁涡旋结构，三磁涡旋结构位于与涡旋耦合器(4)相对的铁磁性纳米带(1)中的位置处；
第二步、构筑二维磁涡旋网络结构
(2.1)将磁场减小为0，上下相邻铁磁性纳米带(1)中的三磁涡旋结构相互作用耦合，在涡旋耦合器(4)中形成一个单涡旋，且铁磁性纳米带(1)中原有的三磁涡旋结构位置不变；
(2.2)改变施加磁场的配置，磁场方向垂直于铁磁性纳米带(1)，磁场大小为50-1000Oe，步骤(2.1)中形成的单涡旋在涡旋耦合器(4)中开始发生磁畴壁位移，且铁磁性纳米带(1)中原有的三磁涡旋结构位置不变；
(2.3)改变施加磁场的配置，磁场方向垂直于铁磁性纳米带(1)，磁场大小为100-1000Oe，且磁场大小大于步骤(2.2)中的磁场大小，单涡旋在涡旋耦合器(4)中继续发生磁畴壁位移，且铁磁性纳米带(1)中原有的三磁涡旋结构位置不变；
(2.4)改变施加磁场的配置，磁场方向垂直于铁磁性纳米带(1)，磁场大小为130-1000Oe，且磁场大小大于步骤(2.3)中的磁场大小，此时单涡旋消除，三磁涡旋结构由铁磁性纳米带(1)注入到涡旋耦合器(4)中；
(2.5)改变施加磁场的配置，磁场方向垂直于铁磁性纳米带(1)，磁场大小为150-1000Oe，且磁场大小大于步骤(2.4)中的磁场大小，多个三磁涡旋结构在涡旋耦合器(4)中形成二维磁涡旋网络结构。
2.根据权利要求1所述的一种二维磁涡旋网络的构筑方法，其特征在于，以左侧铁磁性纳米盘(2)为原点，设定磁涡旋铁磁性纳米带(1)为x轴，从左向右为+x轴向，垂直于磁涡旋铁磁性纳米带(1)的方向为y轴，磁涡旋铁磁性纳米带(1)以上的部分为+y轴向，磁涡旋铁磁性纳米带(1)与偏置纳米磁体(3)中位于+y轴部分之间的夹角为θ；对主体沿-x方向进行退磁，夹角θ为30°～80°时，磁涡旋从左至右通过偏置纳米磁体(3)之后为顺时针状态；当夹角θ为100°～150°时，磁涡旋从右至左通过偏置纳米磁体(3)之后为顺时针状态。
3.根据权利要求1或2所述的一种二维磁涡旋网络的构筑方法，其特征在于，铁磁性材料制备成的薄膜采用传统磁控溅射技术，纳米结构微加工采用传统电子束曝光及离子束刻蚀方法进行制备。
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