一種磁性斯格明子材料的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種磁性斯格明子材料，其化學(xué)通式為(Mn100?δNiδ)αGaβ，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。本發(fā)明的材料具有穩(wěn)定的寬溫域室溫磁性斯格明子納米磁籌結(jié)構(gòu)，作為磁存儲單元可在室溫穩(wěn)定工作，是理想的磁存儲和信息轉(zhuǎn)換等自旋電子學(xué)器件的候選材料。
【專利說明】
一種磁性斯格明子材料
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及磁性材料，尤其涉及一種磁性斯格明子材料。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著現(xiàn)代電子信息技術(shù)的高速發(fā)展，對磁信息存儲器件的存儲密度和能耗提出了 越來越高的要求，而器件的持續(xù)小型化也帶來了諸如順磁物理極限和焦耳熱等問題，亟待 開發(fā)可用于信息存儲的新型磁性材料。
[0003] 最近幾年，在螺旋磁體中發(fā)現(xiàn)了一類全新的類渦旋狀自旋結(jié)構(gòu)一磁性斯格明子 (Skyrmions)，由于其具有（1)極小的磁疇結(jié)構(gòu)單元(10~100nm); (2)拓?fù)浔Ｗo性(不受雜質(zhì) 等干擾）；（3)低臨界磁疇翻轉(zhuǎn)電流密度（<106A/m2)等特點，有望應(yīng)用于高密度和低能耗的 新一代磁存儲及自旋轉(zhuǎn)移矩等自旋電子學(xué)器件。
[0004]磁性斯格明子作為一種特殊的渦旋磁疇結(jié)構(gòu)，其形成是磁性系統(tǒng)中不同類型的能 量相互競爭的結(jié)果。除了存在一些特殊的磁性體系，如阻挫型的磁結(jié)構(gòu)或四自旋系統(tǒng)等，目 前認(rèn)為主要存在以下兩種機制：一種是反對稱的Dzyaloshinskii-Moriya(DM)相互作用與 海森堡直接交換作用競爭;另外一種是磁偶極相互作用與單軸各向異性的相互競爭。
[0005] 基于非中心對稱DM相互作用的B20結(jié)構(gòu)金屬螺旋磁體是最早被預(yù)言并被實驗直接 證實的斯格明子體系，如]?1^、？6(：〇3丨小666、]\11^等。最近多鐵材料〇12(^0 3和]\111-211鐵氧體 材料相繼發(fā)現(xiàn)了磁性斯格明子磁疇結(jié)構(gòu)。但是這幾類材料體系都表現(xiàn)出共同的缺點：居里 溫度低(斯格明子出現(xiàn)在居里溫度附近及以下）以及磁性斯格明子成相溫區(qū)較窄（目前塊體 中的斯格明子一般只存在居里溫度附近的幾 K范圍）。這些現(xiàn)存的問題，阻礙了現(xiàn)有磁性斯 格明子材料在磁存儲器件中的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 因此，本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種磁性斯格明子材料， 其化學(xué)通式為(Mm。。-fiNifOaGae，其中，61.6 彡α 彡69，15<δ<50,31<β$38·4，α+β=100，α、 β、δ表示原子百分比含量。
[0007] 根據(jù)本發(fā)明的磁性斯格明子材料，優(yōu)選地，63.3彡α彡66.6,20彡δ彡50,33.3彡β彡 36.7〇
[0008]根據(jù)本發(fā)明的磁性斯格明子材料，優(yōu)選地，α = 63.3, β = 36.7, δ = 20。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的磁性斯格明子材料，優(yōu)選地，α = 66.6, β = 33.3, δ = 50。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的磁性斯格明子材料，優(yōu)選地，α = 65，β = 35，δ = 30。
[0011 ]根據(jù)本發(fā)明的磁性斯格明子材料，優(yōu)選地，α = 65，β = 35，δ = 50。
[0012] 本發(fā)明還提供了一種磁性斯格明子材料的制備方法，包括以下步驟：
[0013] 步驟一:按照化學(xué)式稱量Mn、Ni、Ga原料；
[0014] 步驟二:采用電弧熔煉法將所述原料制備為磁性斯格明子材料。
[0015] 本發(fā)明提供的磁性斯格明子材料是一種寬溫域室溫磁斯格明子材料，其克服當(dāng)前 磁斯格明子材料的工作溫度偏低和形成溫區(qū)較窄的不足，可在較大的成分范圍內(nèi)調(diào)控，不 僅具有室溫斯格明子磁疇結(jié)構(gòu)，而且表現(xiàn)出大的拓?fù)浠魻栃?yīng)等性能，是理想的磁存儲器 件的候選材料。
【附圖說明】
[0016]以下參照附圖對本發(fā)明實施例作進一步說明，其中：
[0017]圖1是本發(fā)明的實施例1得至I」的Mn32.5Ni32.5Ga35合金不同溫度下霍爾電阻-磁場曲 線；
[0018] 圖2是利用洛倫茲電鏡觀察到的本發(fā)明的實施例1的Mn32.5Ni32. 5Ga35合金在不同溫 度的斯格明子納米磁疇結(jié)構(gòu)；
[0019] 圖3是本發(fā)明實施例2得到的Mn5Q.64Ni12.66Ga 36.7合金的室溫X射線衍射圖譜；
[0020] 圖 4 是本發(fā)明實施例 2-4 得到 Mn5〇.64Nii2.66Ga36.7、Mn45.5Nii9.5Ga35 以及 Mn33.3Ni33.3Ga33.3合金薄帶低場磁化強度-溫度變化曲線；
[0021 ]圖5是本發(fā)明實施例2得到的Mn33.3M33.3Ga33.3合金不同溫度下磁化強度-磁場曲 線。
【具體實施方式】
[0022] 為了使本發(fā)明的目的，技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖通過具體實 施例對本發(fā)明進一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明， 并不用于限定本發(fā)明。
[0023] 在如下各個實施例中，發(fā)明人分別測量了所得到的樣品的室溫X射線衍射圖譜、低 場磁化強度-溫度變化曲線、磁化強度-磁場曲線和霍爾電阻-磁場曲線，并用洛倫茲電鏡觀 察了其斯格明子納米磁籌結(jié)構(gòu)。但是為了簡便，僅示出了其中幾種樣品的結(jié)果，其他樣品的 對應(yīng)特性有類似的結(jié)果。另外，表1給出了多種不同成分的料的晶格常數(shù) 和居里溫度。
[0024] 實施例1
[0025]本實施例制備化學(xué)式Mn32.5Ni32.5Ga35的具有大磁熱效應(yīng)的磁性斯格明子材料，其 制備方法按以下具體步驟進行：
[0026] (1)按Mn: Ni :Ga = 32 · 5:32 · 5:35的比例，分別稱量純度為99 · 95 % 的Mn、Ni、Ga金屬 原料；
[0027] (2)將稱好的原料放入冷水銅坩堝中，用機械栗將電弧爐腔體真空度抽至2 X 10- 3Pa以下，隨后通入氬氣作為保護氣體，熔煉電流100Α，每個樣品翻轉(zhuǎn)3次，共熔煉5次以保證 成分均勾；
[0028] (3)所獲得的鈕扣錠子材料密封在真空石英管內(nèi)，在1000°C退火72小時進行均勻 化退火處理，然后再以2°C/秒的降溫速率逐漸冷卻至室溫，獲得直徑lcm的多晶塊體錠材；
[0029] (4)將上述多晶塊體錠材用電火花線切割機加工制備成長5mmX寬3mmX厚0.5mm 形狀的樣品；同時取部分樣品進行研磨，制備成粉末。
[0030] 測量所得樣品的前述各種特性，樣品的居里溫度和晶胞參數(shù)見表1。該樣品在不同 溫度下的霍爾電阻-磁場曲線見圖1。洛倫茲電鏡表明Mn32.5Ni32.5Ga35材料在零場下是條紋 磁疇結(jié)構(gòu)，隨著垂直磁場的增大，條紋磁疇逐漸向渦旋狀的斯格明子納米磁疇結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。圖 2示出了 Mn32.5Ni32.5Ga35材料在不同溫度下，在磁場0.3T情況下洛倫茲電鏡獲得斯格明納米 磁疇結(jié)構(gòu)?？梢钥闯觯摌悠吩诰永餃囟纫韵碌?00K-340K溫度范圍內(nèi)形成斯格明子納米磁 疇結(jié)構(gòu)，溫區(qū)寬至240K。
[0031] 實施例2
[0032]本實施例制備化學(xué)式為Mn5Q.64Nil2.66Ga36.7的具有室溫斯格明子納米磁疇結(jié)構(gòu)的磁 性合金，其制備方法按以下具體步驟進行：
[0033] (1)按血:附：6& = 50.64:12.66:36.7的比例，分別稱量純度為99.95%的]\111、附、6& 金屬原料；
[0034] (2)將稱好的原料放入冷水銅坩堝中，用機械栗將電弧爐腔體真空度抽至2 X 10- 3Pa以下，隨后通入氬氣作為保護氣體，熔煉電流100Α，每個樣品翻轉(zhuǎn)3次，共熔煉5次以保證 成分均勾；
[0035] (3)所獲得的鈕扣錠子材料密封在真空石英管內(nèi)，在850°C退火120小時進行均勻 化退火處理，然后再以2°C/秒的降溫速率逐漸冷卻至室溫，獲得直徑lcm的多晶塊體錠材；
[0036] (4)將上述多晶塊體錠材用電火花線切割機加工制備成長5mmX寬3mmX厚0.5mm 形狀的樣品；同時取部分樣品進行研磨，制備成粉末。
[0037] 測量所得樣品的前述各種特性，其室溫X射線衍射圖譜見圖3,可以看出，該樣品在 室溫為六角Nl2ln結(jié)構(gòu)。樣品的居里溫度和晶胞參數(shù)見表1。圖4不出了Mn5Q.64Nii2.66Ga36.7的 磁化強度-溫度變化曲線，其居里溫度為約165K。同樣采用洛倫茲電鏡觀察 ]^115().64附12.666336.7樣品，發(fā)現(xiàn)其在1001(-3501(的范圍內(nèi)的磁性斯格明子磁籌結(jié)構(gòu)。
[0038] 實施例3
[0039]本實施例制備化學(xué)式為Mn33.3Ni33.3Ga33.3的具有室溫磁性斯格明子納米磁疇結(jié)構(gòu) 的磁性合金，其制備方法按以下具體步驟進行：
[0040] (1 )Mn:Ni :Ga = 33 · 3:33 · 3:33 · 3的比例，分別稱量純度為99 · 95 % 的Mn、Ni、Ga金屬 原料；
[0041] (2)將稱好的原料放入冷水銅坩堝中，用機械栗將電弧爐腔體真空度抽至2 Χ10- 3Pa以下，隨后通入氬氣作為保護氣體，熔煉電流100Α，每個樣品翻轉(zhuǎn)3次，共熔煉5次以保證 成分均勾；
[0042] (3)所獲得的鈕扣錠子材料密封在真空石英管內(nèi)，在850°C退火120小時進行均勻 化退火處理，然后再以2°C/秒的降溫速率逐漸冷卻至室溫，獲得直徑lcm的多晶塊體錠材； [0043] (4)將適當(dāng)大小的電弧熔煉的多晶塊錠材放入一個底部帶有小孔的石英管內(nèi)，安 放到甩帶機爐腔內(nèi)，利用機械栗將腔體抽真空到l(T3Pa以下，爐腔內(nèi)通入高純氬氣，壓強為-0.05MPa，采用感應(yīng)加熱，使合金處于熔融狀態(tài)，然后打開氣體控制閥，從石英管上部吹入具 有0.05MPa的高純氬氣使熔融合金液體從小孔中噴射到線速度為25m/s的高速旋轉(zhuǎn)的銅輪 上快速甩出，獲得寬度為3~4mm、厚度為30~50μπι的帶材。
[0044]測量所得樣品的前述各種特性，樣品的居里溫度和晶胞參數(shù)見表1。圖4示出了 Mn33.3Ni33.3Ga33. 3的磁化強度-溫度變化曲線，可以看出，其居里溫度為約350Κ。該合金薄帶 樣品在不同溫度下的磁化強度-磁場曲線見圖4,其表明了該樣品在居里溫度以下寬溫域的 鐵磁行為。洛倫茲電鏡觀察到1]133.3附33.36333.3樣品的斯格明子磁籌結(jié)構(gòu)存在于1001(-3401( 的溫度范圍內(nèi)。
[0045] 實施例4
[0046] 本實施例制備化學(xué)式Mn45.5Nii9.5Ga35的具有磁性斯格明子納米疇結(jié)構(gòu)的磁性合 金;除組成比例為Mn:Ni :Ga = 45.5:19.5:35，除樣品退火溫度為900°C，退火時間為72小時 之外，其余步驟同實施例1。測量所得樣品的前述各種特性，獲得各種特性曲線，樣品的居里 溫度和晶胞參數(shù)見表1，圖4示出了ΜΠ 45.5Ni 19.5Ga35的磁化強度-溫度變化曲線，可以看出，其 居里溫度為約224K。洛倫茲電鏡觀察到Mn45.5Nii9.5Ga35樣品的斯格明子磁籌結(jié)構(gòu)存在于 100K-350K的溫度范圍內(nèi)。
[0047]根據(jù)本發(fā)明的其他實施例，制備了多種其他(Mnioo-sNi s) aGae材料，其具體組分和相 應(yīng)的晶格常數(shù)和居里溫度如表1所示。
[0048] 根據(jù)本發(fā)明的其他實施例，除了上述電弧熔煉法，還可以采用本領(lǐng)域公知的任意 其他方法將原料制備為磁性斯格明子材料。
[0049] 雖然本發(fā)明已經(jīng)通過優(yōu)選實施例進行了描述，然而本發(fā)明并非局限于這里所描述 的實施例，在不脫離本發(fā)明范圍的情況下還包括所作出的各種改變以及變化。
[0050] 表 1
【主權(quán)項】
1. 一種磁性斯格明子材料，其化學(xué)通式為(Mnioo-sNis)aGap，其中，61.6<α<69,15<δ< 5〇,31彡0彡38.4，€[+0=1〇〇，€[、0、5表示原子百分比含量。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁性斯格明子材料，其中，63.3彡α彡66.6,20彡δ彡50,33.3彡 β<36.7。3. 根據(jù)權(quán)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. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的磁性斯格明子材料，其中，α = 66.6，β = 33.3，δ = 50。5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的磁性斯格明子材料，其中，α = 65，β = 35，δ = 30。6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的磁性斯格明子材料，其中，α = 65，β = 35，δ = 50。7. 根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項所述的磁性斯格明子材料的制備方法，包括以下步驟： 步驟一:按照化學(xué)式稱量Mn、Ni、Ga原料； 步驟二:采用電弧熔煉法將所述原料制備為磁性斯格明子材料。8. 根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項所述的磁性斯格明子材料在磁信息存儲器件中的用途。
【文檔編號】G11C11/16GK105950941SQ201610308496
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年5月11日
【發(fā)明人】王文洪, 張穎, 劉恩克, 吳光恒
【申請人】中國科學(xué)院物理研究所