中國科學院物理研究所
北京凝聚態物理國家研究中心
M05組供稿
第71期
2020年09月14日
磁性二維晶體中拓撲磁性斯格明子的發現

  磁性斯格明子(Magnetic Skyrmion)是一種具有手性自旋的納米磁疇結構,它具有拓撲保護性、低驅動電流密度,以及磁、電場和溫度等多物理調控的特性,是未來高密度、高速度、低能耗信息存儲器件的核心理想存儲單元。開發更多優異性能的磁性斯格明子新材料是目前磁電子學領域的研究熱點,也是推進磁性斯格明子實用化的關鍵。

  中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心磁學國家重點實驗室M05組長期從事新型磁性功能材料的探索及物性研究,先后開發出多種磁斯格明子材料新體系。例如,2016年,在六角結構MnNiGa合金中,獲得寬溫區跨室溫的雙渦旋磁性斯格明子【見科研進展:寬溫域室溫磁性斯格明子(Skyrmion)研究取得重要進展】;2017年,在Kagome晶格阻挫磁性合金Fe3Sn2中,觀察到具有最高居里溫度的多拓撲態磁性斯格明子【見科研進展:Kagome晶格阻挫磁體中的多拓撲態寬溫區磁性斯格明子】;2018年,利用聚焦離子束和微納加工技術,制備出單鏈磁性斯格明子器件【見科研進展:實現創記錄高溫穩定單鏈磁斯格明子器件】,并最終觀察到電流驅動單個磁性斯格明子手性翻轉【見科研進展:磁斯格明子自旋手性調控研究取得進展】。同時總結出在中心對稱晶體結構材料中獲得磁性斯格明子的兩個必要條件:即適中的磁單軸各向異性和磁結構不穩定特征。這兩類室溫新材料體系的發現及自旋拓撲態調控研究,為推進磁斯格明子存儲器件的應用提供了材料和理論支持。

  基于上述研究思路,最近,該課題組博士生丁貝、博士生李澤方和王文洪研究員等與A01組姚湲副研究員合作,在二維磁性材料Fe3GeTe2(FGT)中首次觀察到布洛赫型磁性斯格明子自旋結構。如圖1所示,Fe3GeTe2由Fe(2) - Ge原子形成的六角環和Fe(1)原子形成的三角結構構成層內雙層結構,層間穿插兩層Te原子分割Fe/FeGe/Fe層。通過精心設計試驗,分別采用溫度震蕩的化學氣相輸運法和助溶劑法生長出高質量的FGT單晶樣品。細致的磁性測量發現該材料在居里溫度以下(TC~150K)呈現出適中的磁晶各向異性,而且其磁結構存在不穩定特征。隨后,利用洛倫茲透射電子顯微鏡觀察到FGT單晶薄片樣品中,隨著外加垂直磁場的增加,條狀磁疇逐漸收縮形成磁性斯格明子拓撲磁疇結構(見圖2)。進一步通過場冷實驗,對磁性斯格明子的密度進行了調控,實現了零磁場且高密度的磁性斯格明子晶格結構。由于磁性斯格明子具有拓撲穩定性,可以存在于不同傾角的場冷調控中(見圖3),并結合微磁學模擬,進一步證實該材料中的磁性斯格明子呈布洛赫型磁矩排列。

  特別值得指出,二維范德華磁性材料擁有易于解理和轉移的優點,且在少層甚至單層下能保持長程磁有序,在納米微電子器件中具有巨大的應用價值。因此,該項工作將磁性斯格明子的研究拓展到二維磁性材料,不僅有助于推進磁性斯格明子材料的器件化,也為深入研究磁性斯格明子的拓撲自旋結構提供了新候選材料體系。

  相關研究內容以題名為“Observation of Magnetic Skyrmion Bubbles in a van der Waals Ferromagnet Fe3GeTe2”發表在《Nano Letters》雜志上。該工作得到科技部國家重點研發計劃、國家自然科學基金和北京市自然科學基金的支持。

  相關工作鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.9b03453

圖1. 二維 Fe3GeTe2 (FGT)單晶的晶體結構和磁性。(a) 層間范德華間隙的雙層結構示意圖。(b) 從ac和ab面分別觀察單層FGT晶體結構示意圖。(c) X射線衍射圖譜,插圖是光學照片和勞厄衍射圖,顯示所看到的晶面為ab面。(d, e) [010]和[001]方向的高分辨STEM HAADF圖像。插圖顯示了雙層Te原子的堆積結構和Fe(2) - Ge層的六角環。(f) H//ab面和H//c軸條件下測得的ZFC和FC的磁熱曲線,二者在居里溫度之下不重合,表明FGT單晶具有不穩定磁結構特征。插圖為T = 10K 時磁化曲線,表明FGT單晶具有適中的磁晶各向異性。

圖2. (a - d) 零場冷操作后,不同溫度下磁疇的欠焦洛倫茲照片;(a) 中插圖為選區電子衍射,表明樣品表面為ab晶面。當溫度低于130K,條狀磁疇自發地出現,隨著溫度降低更加清晰可見;(e -f) 溫度在110K時,條狀磁疇隨外加磁場演化的欠焦洛倫茲照片;(e) 插圖為外加磁場方向,垂直于ab晶面。隨著垂直磁場增加條狀磁疇 (e) 逐漸轉變為磁性斯格明子(f - g),并最終形成鐵磁態 (h),比例尺為500nm。

圖3. (a - d) 不同傾角場冷(600Oe)調控,溫度在93K時磁性斯格明子的欠焦洛倫茲照片。【插圖為傾角方向(a)α=-20°,(b)α= 0°,(c)α= + 20°,和(d)β=-10°】。(e, f) 溫度在93K、零場條件下拍攝的磁性斯格明子的欠焦和過焦洛倫茲圖像。比例尺為200nm。 (g)結合(e)和(f)圖,TIE處理之后的磁性斯格明子晶格面內自旋結構。(h)單個磁性斯格明子面內自旋結構:各點磁化方向,如右下角色輪所示;磁性斯格明子的磁矩呈渦旋態排列,表明是布洛赫型磁性斯格明子。