磁性金属纳米结构中畴壁的钉扎与动力学研究

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1、中国科学院大学Universi锣ofChineseAcademyofSciences博士学位论文磁性金属纳米结构中畴壁的钉扎与动力学研究作者姓名：指导教师：学位类别：学科专业：研究所：姚宗妮顾长志研究员中国科学院物理研究所理学博士凝聚态物理中国科学院物理研究所2013年5月ByZong—NiYaoAI)issertationSubmittedtoTheUniVersityofChineseAcademyofSciencesInpartialfulflllmentoftherequirementFbrthedegreeofDoctorofScienceInstituteof

2、PhysicsChineseAcademyofSciencesMay’2013摘要自旋电子学由于其丰富的物理内涵和广泛的应用前景受到学术界和工业界的高度重视，己成为近年来凝聚态物理研究的热点领域。本文利用电子束曝光系统、金属沉积和溶脱(Lift—off)技术制作出铁磁金属纳米点接触结构和L型纳米线结构，并对其输运性质进行了研究，讨论了结构内部畴壁的钉扎与运动特性，分析了热效应对畴壁的钉扎和运动的影响。首先，采用磁控溅射和热蒸发两种镀膜设备制备坡莫合金铁磁薄膜，并对薄膜表面形貌、成分和电学特性进行了研究。结果表明，利用热蒸发沉积的方式生长的薄膜不仅表面平整，Fe、Ni原子百

3、分比为1：5，更接近于体材料，而且磁滞回线矩形比≈1，这三个方面充分证明了热蒸发沉积薄膜的质量。接着我们利用微加工工艺制备纳米点接触结构和L型纳米线结构，并进一步优化制备参数，利用双层胶和斜入射沉积的方式制备出边壁光滑、宽度为14nm的点接触结构，这对提高磁电阻纳米器件的性能提供了可能。其次，通过磁力显微镜(MFM)表征金属磁性点接触结构中的畴壁的分布情况，并结合微磁学方法模拟了点接触结构在自发磁化状态下与外加磁场的剩磁状态下钉扎畴壁的情况。从实验结果和模拟结果可以得出，不管是宽度为50nm还是500nm的点接触结构，自发磁化的点接触结构中心位置没有钉扎畴壁，而在点接触结

4、构对角位置的两侧钉扎有两个畴壁。外加磁场会增大结构的退磁能，因此撤去磁场后，会有新的畴壁出现，引入畴壁能来降低退磁能，达到能量新的平衡。再次，基于各向异性磁阻效应，我们研究了在磁场作用下，点接触结构中畴壁的运动特性：并讨论了温度及电流产生的热效应对畴壁退钉扎过程的影响，研究表明，小的电流密度(109A／m2)产生的自旋转移力矩较小，对畴壁的影响可以忽略，但热效应对畴壁的退钉扎过程起到了很大的作用，因此在研究畴壁运动的过程中，系统中的热是不可被忽略的。最后，基于L型磁纳米线结构，我们利用磁力显微镜、微磁模拟、磁阻特性表征了涡旋态的特性，研究了涡旋核极性随着电流的反转特性，讨

5、论了曲率半径、纳米线宽度及温度对反转阈值电流的影响，简单的分析了其物理机制，并用微磁学模拟进一步验证了实验结果，提供了一定的理论依据。利用L型纳磁性金属纳米结构中畴壁的钉扎与动力学研究米线结构中磁涡旋态极性的反转引起的电阻高低阻态的转变，可以制备磁逻辑器件，这也是我们下一步将要进行的工作。关键词：铁磁性纳米结构，坡莫合金，畴壁，热效应，涡旋态AbstractSpintronicshaⅣeattractedgreatattentionofacademiaandindustryandbe-comeahotspotincondensedmatterphysicsrecently

6、ye盯s，duetoitsabundantphysicalconnotationandeXtensiveapplicationprospects．Inthispaper，Wefab—ricatedf色rromagneticmetalnanocontactsandLshapednanowirestructurebyusingelectronbeamexposuresystem，metaldepositionandLi扎一offtechnology；studiedthetransportpropertiesofthesestructures；discussedthedomai

7、nwaUpinningandmotioneharacteristics，andanalysedthein丑uenceofthermale＆ctontheprocess．Firstly，wefabricatedpermalloyferromagneticthin壬ilmsusingbothmag—netronsputteringandthermalevapora土iondepositionsystemsandstudiedthefilmsurfacemorphology，compositionandelectricalprope