CN115125428A - 一种宽温区跨室温磁斯格明子材料及其制备方法与应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽温区跨室温磁斯格明子材料，化学通式为CoaZnbMncXd，其中X为Fe、Ni、Cu、Al、Zr、Cr、Ti中的一种或多种；其中a、b、c、d表示原子摩尔百分比含量，a+b+c+d＝100，且25≤a≤45，25≤b≤45，10≤c≤30，0≤d≤10。本发明还公开了一种宽温区跨室温磁斯格明子材料的制备方法以及在磁存储器、逻辑运算中的应用。本发明采用上述宽温区跨室温磁斯格明子材料及其制备方法，能够解决现有的磁斯格明子材料在室温稳定性差的问题。

Description

一种宽温区跨室温磁斯格明子材料及其制备方法与应用
技术领域
本发明涉及磁斯格明子材料技术领域，尤其是涉及一种宽温区跨室温磁斯格明子材料及其制备方法与应用。
背景技术
随着社会信息化程度越来越高，对信息存储和读写设备的要求越来越高。探索储密度更高、能耗更低、读写速度更快的存储技术和设备需要不断开发新技术和新材料来实现。磁斯格明子材料是指具有一种特殊的涡旋状纳米磁畴结构的磁性材料，其形成主要是由于材料中不同相互作用竞争导致磁矩呈非共线/非共面排列的结果。近年来随着磁斯格明子材料的研究不断发展，利用磁斯格明子的产生和湮灭可实现信息的读写与存储。由于磁斯格明子具有磁畴结构单元尺寸小(1～500nm)、磁畴翻转电流密度低(小于106A/m2)、抗干扰能力强(存在拓扑保护)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。
信息存储要求材料在宽温区特别是室温附近具有稳定的性能，但目前发现的磁斯格明子材料一般只在低温区具有稳定的性能，在室温附近具有稳定的斯格明子磁畴结构的材料较少。因此宽温区跨室温磁斯格明子材料的发现是实现大规模应用亟待解决的关键问题之一。
发明内容
本发明的目的是提供一种宽温区跨室温磁斯格明子材料，解决现有的磁斯格明子材料在室温稳定性差的问题。本发明的另一个目的是提供一种宽温区跨室温磁斯格明子材料的制备方法与应用。
为实现上述目的，本发明提供了一种宽温区跨室温磁斯格明子材料，化学通式为CoaZnbMncXd，其中X为Fe、Ni、Cu、Al、Zr、Cr、Ti中的一种或多种；其中a、b、c、d表示原子摩尔百分比含量，a+b+c+d＝100，且25≤a≤45，25≤b≤45，10≤c≤30，0≤d≤10。
优选的，30≤a≤40，30≤b≤40，15≤c≤25，0≤d≤5。
上述宽温区跨室温磁斯格明子材料的制备方法，包括以下步骤：
S1、将Co、Mn、X金属单质按分子式中摩尔比均匀混合成原料，在惰性气体保护下，利用电弧放电加热的方法至原料全部熔化后冷却获得合金锭，翻转后再次熔化后冷却，重复2-4次，获得均匀的CoaMncXd合金锭；
S2、将步骤S1制备出的CoaMncXd合金锭破碎成60-120微米颗粒，与粒度在40-80微米的Zn单质粉末按照分子式中摩尔比称量，并加入过量1％-3％摩尔比的Zn粉后均匀混合，得到混合粉末；
S3、将步骤S2获得的混合粉末放入密封的模具中在30-80MPa的压力下冷压成型，加热至420-450℃保温2-5小时后，然后升温至700-900℃保温8-24小时后冷却至室温后，获得致密的CoaZnbMncXd合金块；
S4、将步骤S3制得的合金块去除表面氧化层后，获得单相CoaZnbMncXd磁斯格明子材料。
优选的，所述S1中，惰性气体为氩气。
优选的，所述S3中，升温速率为每分钟3℃。
上述宽温区跨室温磁斯格明子材料的制备方法制备的磁斯格明子材料在100K-400K温度范围内具有稳定的斯格明子磁畴结构。
上述宽温区跨室温磁斯格明子材料的制备方法制备的磁斯格明子材料在基于磁斯格明子的磁存储器中应用。
上述宽温区跨室温磁斯格明子材料的制备方法制备的磁斯格明子材料在基于磁斯格明子的逻辑运算中应用。
本发明所述的一种宽温区跨室温磁斯格明子材料及其制备方法与应用的优点和积极效果是：
1、由于Zn的饱和蒸气压较高且沸点较低，很容易挥发无法直接进行合金化；因此首先将其它金属进行混合熔炼，有利于减小Zn的挥发，获得CoaZnbMncXd磁斯格明子材料。
2、将CoaMncZd合金锭破碎成60-120微米颗粒后，与粒度在40-80微米的Zn粉末进行混合，将CoaMncXd颗粒与Zn粉末进行充分的混合，得到混合粉末，然后再进行加热，有利于获得组织均匀的CoaZnbMncXd磁斯格明子材料。
3、在30-80MPa的压力下密封模具中缓慢加热至420-450℃保温2-5小时，实现CoaMncXd与Zn的合金化，在高压、低温下实现Zn的合金化，有利于减小Zn的挥发，利于获得单相性好的CoaZnbMncXd磁斯格明子材料。
4、本方法制备出的CoaZnbMncXd磁斯格明子材料在100K-400K温度范围内具有稳定的斯格明子磁畴结构。
下面通过具体实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
具体实施方式
实施例1Co40Zn40Mn20材料的制备
S1、按照原子摩尔比称量Co、Mn、Zn金属单质，Co、Mn、Zn金属单质的原子摩尔比为40:20:40；将Co、Mn金属单质均匀混合成原料，在氩气气体保护下，利用电弧放电加热的方法至原料全部熔化后冷却获得合金锭，翻转后再次熔化后冷却，重复2次，获得均匀的Co40Mn20合金锭；
S2、将步骤S1制备出的Co40Mn20合金锭破碎成80微米颗粒，与粒度在40微米的Zn单质粉末进行混合，并加入过量1％摩尔比的Zn粉，混合均匀后得到混合粉末；
S3、将步骤S2获得的混合粉末放入密封的模具中在40MPa的压力下冷压成型，加热至430℃保温3小时后，然后升温至900℃保温20小时后冷却至室温后，获得致密的Co40Zn40Mn20合金块；
S4、将步骤S3制得的合金块去除表面氧化层后，获得单相Co40Zn40Mn20磁斯格明子材料。
经测试表明上述材料在260-320K温度范围内具有斯格明子磁畴结构。
实施例2Co32Zn42Mn26材料的制备
S1、按照原子摩尔比称量Co、Mn、Zn金属单质，Co、Mn、Zn金属单质的原子摩尔比为32:26:42；将Co、Mn金属单质均匀混合成原料，在氩气气体保护下，利用电弧放电加热的方法至原料全部熔化后冷却获得合金锭，翻转后再次熔化后冷却，重复4次，获得均匀的Co32Mn26合金锭；
S2、将步骤S1制备出的Co32Mn26合金锭破碎成100微米颗粒，与粒度在80微米的Zn单质粉末进行混合，并加入过量2％摩尔比的Zn粉，混合均匀后得到混合粉末；
S3、将步骤S2获得的混合粉末放入密封的模具中在60MPa的压力下冷压成型，加热至450℃保温3小时后，然后升温至800℃保温16小时后冷却至室温后，获得致密的Co32Zn42Mn26合金块；
S4、将步骤S3制得的合金块去除表面氧化层后，获得单相Co32Zn42Mn26磁斯格明子材料。
经测试表明上述材料在270-350K温度范围内具有斯格明子磁畴结构。
实施例3Co35Zn40Mn20Fe5材料的制备
S1、按照原子摩尔比称量Co、Zn、Mn、Fe金属单质，Co、Zn、Mn、Fe金属单质的原子摩尔比为35:40:20:5；将Co、Mn、Fe金属单质均匀混合成原料，在氩气气体保护下，利用电弧放电加热的方法至原料全部熔化后冷却获得合金锭，翻转后再次熔化后冷却，重复2次，获得均匀的Co35Mn20Fe5合金锭；
S2、将步骤S1制备出的Co35Mn20Fe5合金锭破碎成120微米颗粒，与粒度在60微米的Zn单质粉末进行混合，并加入过量2％摩尔比的Zn粉，混合均匀后得到混合粉末；
S3、将步骤S2获得的混合粉末放入密封的模具中在80MPa的压力下冷压成型，加热至430℃保温5小时后，然后升温至900℃保温10小时后冷却至室温后，获得致密的Co35Zn40Mn20Fe5合金块；
S4、将步骤S3制得的合金块去除表面氧化层后，获得单相Co35Zn40Mn20Fe5磁斯格明子材料。
经测试表明上述材料在240-310K温度范围内具有斯格明子磁畴结构。
实施例4Co38Zn40Mn18Fe2Al2材料的制备
S1、按照原子摩尔比称量Co、Zn、Mn、Fe、Al金属单质，Co、Zn、Mn、Fe、Al金属单质的原子摩尔比为38:40:18:2:2；将Co、Mn、Fe、Al金属单质均匀混合成原料，在氩气气体保护下，利用电弧放电加热的方法至原料全部熔化后冷却获得合金锭，翻转后再次熔化后冷却，重复3次，获得均匀的Co38Mn18Fe2Al2合金锭；
S2、将步骤S1制备出的Co38Zn40Mn18Fe2Al2合金锭破碎成100微米颗粒，与粒度在80微米的Zn单质粉末进行混合，并加入过量2％摩尔比的Zn粉，混合均匀后得到混合粉末；
S3、将步骤S2获得的混合粉末放入密封的模具中在60MPa的压力下冷压成型，加热至440℃保温4小时后，然后升温至800℃保温20小时后冷却至室温后，获得致密的Co38Zn40Mn18Fe2Al2合金块；
S4、将步骤S3制得的合金块去除表面氧化层后，获得单相Co38Zn40Mn18Fe2Al2磁斯格明子材料。
经试表明上述材料在280-330K温度范围内具有斯格明子磁畴结构。
实施例5Co40Zn42Mn15Ni1Cu1Cr1材料的制备
S1、按照原子摩尔比称量Co、Zn、Mn、Ni、Cu、Cr金属单质，Co、Zn、Mn、Ni、Cu、Cr金属单质的原子摩尔比为40:42:15:1:1:1；将Co、Mn、Ni、Cu、Cr金属单质均匀混合成原料，在氩气气体保护下，利用电弧放电加热的方法至原料全部熔化后冷却获得合金锭，翻转后再次熔化后冷却，重复4次，获得均匀的Co40Mn15Ni1Cu1Cr1合金锭；
S2、将步骤S1制备出的Co40Mn15Ni1Cu1Cr1合金锭破碎成80微米颗粒，与粒度在80微米的Zn单质粉末进行混合，并加入过量3％摩尔比的Zn粉，混合均匀后得到混合粉末；
S3、将步骤S2获得的混合粉末放入密封的模具中在60MPa的压力下冷压成型，加热至450℃保温5小时后，然后升温至800℃保温20小时后冷却至室温后，获得致密的Co40Zn42Mn15Ni1Cu1Cr1合金块；
S4、将步骤S3制得的合金块去除表面氧化层后，获得单相Co40Zn42Mn15Ni1Cu1Cr1磁斯格明子材料。
经测试表明上述材料在250-320K温度范围内具有斯格明子磁畴结构。
因此，本发明采用上述宽温区跨室温磁斯格明子材料及其制备方法，能够解决现有的磁斯格明子材料在室温稳定性差的问题。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种宽温区跨室温磁斯格明子材料，其特征在于：化学通式为CoaZnbMncXd，其中X为Fe、Ni、Cu、Al、Zr、Cr、Ti中的一种或多种；其中a、b、c、d表示原子摩尔百分比含量，a+b+c+d＝100，且25≤a≤45，25≤b≤45，10≤c≤30，0≤d≤10。
2.根据权利要求1所述的一种宽温区跨室温磁斯格明子材料，其特征在于：30≤a≤40，30≤b≤40，15≤c≤25，0≤d≤5。
3.根据权利要求1-2任一项所述的一种宽温区跨室温磁斯格明子材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将Co、Mn、X金属单质按分子式中摩尔比均匀混合成原料，在惰性气体保护下，利用电弧放电加热的方法至原料全部熔化后冷却获得合金锭，翻转后再次熔化后冷却，重复2-4次，获得均匀的CoaMncXd合金锭；
S2、将步骤S1制备出的CoaMncXd合金锭破碎成60-120微米颗粒，与粒度在40-80微米的Zn单质粉末按照分子式中摩尔比称量，并加入过量1％-3％摩尔比的Zn粉后均匀混合，得到混合粉末；
S3、将步骤S2获得的混合粉末放入密封的模具中在30-80MPa的压力下冷压成型，加热至420-450℃保温2-5小时后，然后升温至700-900℃保温8-24小时后冷却至室温后，获得致密的CoaZnbMncXd合金块；
S4、将步骤S3制得的合金块去除表面氧化层后，获得单相CoaZnbMncXd磁斯格明子材料。
4.根据权利要求3所述的一种宽温区跨室温磁斯格明子材料的制备方法，其特征在于：所述S1中，惰性气体为氩气。
5.根据权利要求3所述的一种宽温区跨室温磁斯格明子材料的制备方法，其特征在于：所述S3中，升温速率每分钟不超过4℃。
6.根据权利要求4或5所述的一种宽温区跨室温磁斯格明子材料的制备方法，其特征在于：制备的磁斯格明子材料在100K-400K温度范围内具有稳定的斯格明子磁畴结构。
7.根据权利要求6所述的一种宽温区跨室温磁斯格明子材料的制备方法，其特征在于：制备的磁斯格明子材料在基于磁斯格明子的磁存储器中应用。
8.根据权利要求6所述的一种宽温区跨室温磁斯格明子材料的制备方法，其特征在于：制备的磁斯格明子材料在基于磁斯格明子的逻辑运算中应用。
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Y.TOKUNAGA ET AL.: "A new class of chiral materials hosting magnetic syrmions beyond room temperature", 《NATURE COMMUNICATIONS》 *

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CN117288554A (zh) * 2023-08-29 2023-12-26 散裂中子源科学中心 一种具有斯格明子相的磁性材料的制备方法

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