畴壁钉扎

《电气工程名词》第一版。

1998年，经全国科学技术名词审定委员会审定发布。

钉扎和去钉扎是磁纳米线中畴壁运动重要的过程。垂直磁化纳米线中的畴壁宽度小且结构稳定，对垂直磁化纳米线中畴壁钉扎与去钉扎过程及相关动力学的研究一方面有助于掌握磁纳米线畴壁运动的规律和操控方法，从而为实现逻辑运算和高密度存储奠定基础，另一方面，可以探索自旋转移力矩中非绝热项的本质等一些基本科学问题。本项目将以具有垂直各向异性的FePt和CoPt合金为材料体系, 研究纳米线中畴壁钉扎与去钉扎过程中畴壁的运动状态、去钉扎场大小以及它们与纳米线和钉扎点的几何尺寸等因素的关系，探索有效调控畴壁钉扎与去钉扎行为的方法；研究不同各向异性纳米线中非绝热系数及阻尼系数，澄清二者与自旋轨道耦合强弱的关系，并在此基础上结合理论研究探索二者的物理本质。

垂直磁化纳米线在赛道存储器件、畴壁逻辑器以及纳米振荡器件都有广阔的应用前景，研究垂直纳米线中钉扎畴壁的动力学特性进行研究，探索调控畴壁动力学行为的方法对其在器件中的实际应用至关重要。本项目，我们将研究的重点放在垂直磁化纳米线中钉扎畴壁的动力学特性，主要开展了一下工作：1）采用磁控溅射法加上纳米刻蚀技术，制备出质量良好的垂直纳米线，对纳米线的各向异性磁电阻测量，显示出畴壁处于不同位置具有不同的AMR；2）研究了不同刻痕结构、形状和刻痕深度对对畴壁的钉扎强度，发现对称矩形刻痕具有最强的钉扎效果，而三角刻痕钉扎最弱；3)对钉扎畴壁的动力学特性研究发现，钉扎畴壁在一定的电流下出现振荡，其实振荡电流与刻痕的形状、深度都有关系，在深度钉扎时，三角刻痕具有最小的其实振荡电流；4）对深度钉扎的单个畴壁和多个畴壁的振荡特性进行了研究，发现在一定电流下，会出现恒频振荡，这种恒频振荡的振幅可以通过横向磁场辅助和多畴壁协同振荡大幅提高；5）设计了反铁磁耦合的双垂直磁化纳米线，利用自选轨道矩和DMI实现了耦合畴壁运动超高速运动；6）弄清垂直磁化-面内磁化复合纳米线中自旋波模式的振荡特性以及调控手段，提出了一种新型的纳米振荡器；7）设计了垂直磁化-面内磁化复合纳米柱阵列，证实了合理调控相互作用可以使各纳米柱的磁矩出现协同振荡，从而大幅提高振荡信号；8）探索了调控涡旋状态以及利用涡旋状态调控畴壁动力学特性的方法，发现涡旋畴壁的状态可以在选取适当的纳米线尺寸的情况，通过磁场大小方便地调控；9）对基于FePt3的双层薄膜中的交换耦合特性进行了研究，发现一定的化学无序以及铁磁层的诱导可以诱发Q2 相，从而解释了(100)取向的双层膜低温下出现的强的交换耦合场。以上这些工作中取得的重要结果以达到本象奴设定的研究目标。

相邻磁畴的界限称为磁畴壁，磁畴壁是一个过渡区，具有一定的厚度。磁畴的磁化方向在畴壁处不能突然转一个很大的角度（主要有180°和90°两种），而是经过畴壁一定厚度逐步转过去的，即在这个过渡区中原子磁矩是逐步改变方向的。畴壁内部的能量总比畴内的能量高，壁的厚薄和面积大小都使它具有一定能量。

磁畴的形状尺寸.畴壁的类型与厚度总称为磁畴结构。同一磁性材料，如果磁畴结构不同，则其磁化行为也不同，所以磁畴结构不同是铁磁性物质磁性千差万别的原因之一。磁畴结构受到交换能、各向异性能、磁弹性能、磁畴壁能、退磁能的影响。平衡状态时的畴结构，这些能量之和应具有最小值。

根据自发磁化理论，在冷却到居里点以下而不受外磁场作用的铁磁晶体中，由于交换作用使得整个晶体自发磁化达到饱和，显然，磁化方向应该沿着晶体的易轴，因为这样交换能和磁晶能才都处于最小值。但因为晶体有一定的大小与形状，整个晶体均匀磁化的结果必然产生磁极，磁极的退磁场却给系统增加了一部分退磁能。对于“单畴”从能量观点，把磁体分为n个区域时。退磁能降为原来的1/n，减少退磁能是分畴的基本动力。但由于两个相邻磁畴间存在畴壁，又需要增加一定的畴壁能，因此自发磁化区域的划分不能无限小，而是以畴壁能及退磁能相加等于极值为条件。为了降低能量.晶体边缘表面附近为封闭磁畴，它们使得退磁能降为零。一个系统从高磁能的饱和组态变为低磁能的分畴组态，从而导致系统能量降低的可能性是形成磁畴结构的原因。

对于多晶体来说晶界，第二相.晶体缺陷、夹杂，应力、成分的不均匀性等对畴结构有显著的影响。每一个晶粒会包含许多畴，在一个磁畴内，磁化强度一般都沿着晶体的易磁化方向。对于非织构的多晶体，各晶粒的取向是不同的，因此在不同晶粒内部磁畴的取向是不同的。为了减少退磁场能，在夹杂物附近会出现附加畴。在平衡状态时，畴壁一般都跨越夹杂物。