我們(men) 對Pt/Co/Fe/Ir磁堆進行了溫度調製的一階反轉曲線（FORC）研究，該磁堆顯示出隨著溫度的升高，從(cong) 孤立的skyrmions到skyrmions晶格的磁相變。利用原位磁光Kerr成像，導出了與(yu) FORC分布峰在其反轉和掃描場中相關(guan) 的域變換的廣義(yi) 描述，以便從(cong) FORC圖中直接分析。
基於(yu) 一階反轉曲線研究的溫度調製磁離子相及相變分析(一)
磁性粒子是一種粒子狀的納米級磁化狀態。由於(yu) 具有作為(wei) 高密度信息載體(ti) 的巨大潛力，磁性基板目前正被積極研究用於(yu) 存儲(chu) 、計算邏輯和非常規計算係統等国产成人在线观看免费网站。磁skyrmions穩定化要求係統有利於(yu) 非平行相鄰自旋，這可以通過Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）和偶極相互作用來支持。鐵磁體(ti) (FM)-重金屬（HM）多層材料通常在室溫下穩定磁性粒子，因為(wei) 在具有大自旋-軌道耦合的FM和HM的界麵處會(hui) 產(chan) 生強界麵- dmi。通過在堆棧中多次重複這些FM/HM層，增強了偶極相互作用，從(cong) 而進一步穩定了磁天空。
由於(yu) 磁基粒子的穩定性主要取決(jue) 於(yu) 其結構扭轉段的能量成本，因此通常使用由疇壁能導出的材料參數κ = πD/4√AK來表征這些材料中磁基粒子的穩定性，其中D為(wei) DMI強度，A為(wei) 交換剛度，K為(wei) 有效磁各向異性強度。隨著DMI強度的增加和κ接近統一，skyrmions變得越來越有利，並作為(wei) 孤立的skyrmions存在。在單位以上，疇壁能量變為(wei) 負，導致在填充或點陣構型中skyrmions的擴散。雖然可以調整多層膜的組成和結構以獲得具有所需κ的材料，但先前的研究也報道了κ隨溫度升高。
一階反轉曲線（FORC）技術使用反轉場、掃描場和磁化數據的組合來確定不可逆轉變。FORC特別適合於(yu) 磁性天空的表征，因為(wei) 它揭示了在主要磁滯回線甚至光學成像技術中無法察覺的磁狀態和躍遷。基於(yu) 在反轉場上的FORC分布峰的投影，FORC技術的国产成人在线观看免费网站被證明對z大化零場天空是有用的。zui近的一項工作擴展了它的用途，從(cong) 通過FORC分布的消失中確定了純nsamel skyrmion結構。一些早期研究類似氣泡-條紋躍遷的工作也將FORC特征歸因於(yu) 磁條的斷裂和逆轉場中的skyrmion湮滅。然而，這些分析仍然局限於(yu) 反轉場或一個(ge) 特定的特征，使得整個(ge) 磁場未被探索，其有關(guan) 係統的相關(guan) 信息也被隱藏
在這篇論文中，我們(men) 報告了利用霍爾電壓測量和原位磁光克爾效應（MOKE）成像技術，在反轉場和掃描場中對skyrmion變換的分析。確定了與(yu) 各個(ge) FORC分布峰相關(guan) 的域變換過程，並證明了從(cong) 孤立的skyrmion到skyrmion晶格的各個(ge) skyrmion相之間的域變換過程是一致的。區域-區域分離的發散和迷宮狀態下的末端分離是決(jue) 定FORC特征的另一個(ge) 關(guan) 鍵現象。此外，建立了一個(ge) 以FORC分布峰為(wei) 特征的模型來描述隨著κ的增加而發生的變化由此可以推導出粒子相位和其他有用的場範圍。
本實驗中使用的材料堆為(wei) Ta(5)/Ir(2)/ [Pt(1)/Co(0.5)/Fe(0.5)/Ir(0.8)]2/Ta(5)（名義(yi) 層厚度以納米為(wei) 單位），用於(yu) Pt/Co和Fe/Ir界麵的強加性界麵Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（i-DMI）。采用熱氧化矽片作為(wei) 襯底。材料堆在室溫下使用磁控濺射係統（AJA ATC-Orion 8）沉積，基壓為(wei) 8 × 10−8 Torr或更高。在2.0 mTorr的濺射壓力和0.68、0.62、0.37、0.30 Å/s的沉積速率下，采用直流沉積法製備了Pt、Ta、Ir和Fe材料。在3.0 mTorr的濺射壓力和0.26 Å/s的沉積速率下，通過射頻電流沉積Co。頂部和底部的Ta(5)層分別作為(wei) 抗氧化和粘附的保護層沉積。添加了額外的Ir底層以為(wei) 重複層提供類似的接口。隨後，采用電子束光刻（Raith e-line）和離子銑削（帶有Hiden SIMS元素探測器的AJA離子銑削係統）技術，製作了20 μm × 10 μm寬的霍爾交叉器件。
磁疇成像使用MagVision Kerr成像係統，該係統在MOKE上運行。在極性配置中，麵外磁化被探測並觀察到圖像中不同程度的亮度。在圖像中，較低亮度的區域對應於(yu) 負麵外方向的磁化，反之亦然。圖像的色彩平衡已被調整，以提供定性分析的對比度。
用於(yu) FORC測量的麵外磁化是通過霍爾交叉上的反常霍爾效應引起的霍爾電壓來測量的。采用霍爾電壓鎖相檢測優(you) 化信噪比。采用電流密度為(wei) 2.3 × 109 A/m2的弱感應電流探測磁化強度，並通過MOKE圖像驗證了磁化強度對磁疇的影響可以忽略不計。
就地進行電測量和MOKE成像。然而，需要較長的曝光時間才能獲得足夠清晰的MOKE圖像。因此，遲滯的MOKE圖像是在麵外場的逐步變化中拍攝的，而不是連續的場掃描。對於(yu) FORC掃描拍攝的每張圖像，在拍攝MOKE圖像之前，從(cong) 正飽和場到反轉場進行全序列磁場掃描，直到所需的zui終場。
采用比例-積分-導數（PID）控製的熱電冷卻器進行溫度調製。熱電冷卻器直接固定在樣品級的下方，熱敏電阻連接到冷卻器上。Arduino Nano微控製器通過預先校準的熱敏電阻電阻來測量溫度，通過PID計算來控製熱電冷卻器的輸出，並在環境波動的情況下保持所需的溫度。所有測量都保持小於(yu) 0.1°C的波動。通過對樣品器件電阻的測量，驗證了熱電冷卻器通過台階到樣品器件的熱導率是可靠的，在數秒內(nei) 實現了熱平衡。
圖 1
首先，提出了在18.0°C至26.0°C的小溫度範圍內(nei) 發生κ跨單位轉變的支持證據。圖1(a)顯示了主磁滯回線的封閉麵積和梯度隨溫度的減小，表明各向異性向薄膜平麵移動。飽和霍爾電壓隨溫度線性下降與(yu) 飽和磁化強度隨溫度的預期下降有關(guan) ，如圖1(a)插圖所示。通過二維快速傅立葉變換對遞減交變場掃描獲得的退磁域的MOKE圖像進行分析，得出其相應的域周期性，如圖1(b)所示。雖然沒有直接測量κ，但圖1(a)和1(b)的結果仍然與(yu) κ增加的狀態一致。圖1(c)為(wei) 在19.0℃和26.0℃溫度下，將麵外磁場HZ從(cong) 正飽和場掃向其標記場後的磁疇MOKE圖像。在19.0°C時，迷宮疇斷裂為(wei) 長條形疇，隨著HZ的減小，條形疇退化為(wei) 稀疏的孤立的skyrmion態。而在26.0°C和5.1°e時，結構域由短條紋段和天空狀結構域混合而成，而不是迷宮結構。隨著HZ的進一步降低，這些條紋片段斷裂成密集排列的skyrmion晶格結構。因此，本研究中使用的溫度範圍為(wei) 18.0°C至26.0°C，涵蓋了κ < 1至skyrmion晶格κ > 1的孤立skyrmion狀態。
圖 2
根據圖2(a)所示的磁場掃描順序獲得力。對於(yu) 單個(ge) FORC， HZ首先從(cong) 足以達到飽和狀態的HSat掃向圖2(a)中藍色虛線所示的較低或負場HR。這個(ge) 磁場掃描從(cong) 現在起被稱為(wei) 負磁場掃描。在反轉場HR處，采集磁化強度M（HR， HZ）數據時，將磁場掃描方向反轉，沿紅色實線掃回HSat。這個(ge) 場掃描從(cong) 現在起被稱為(wei) 正場掃描。在期望的HR範圍內(nei) 重複多個(ge) FORC，以計算公式ρ =−(∂2M/∂HR∂HZ)/2給出的FORC分布ρ。圖2(b) -2 (d)顯示了分別為(wei) 19.0°C、23.0°C和26.0°C時ρ的等高線圖，即FORC圖。不可逆躍遷是由非零ρ在FORC圖上的區域確定的。圖2(b)顯示了磁天空子的兩(liang) 個(ge) 主要特征，即HR≈15 Oe處的上峰和HR≈20 Oe處的下槽峰對。通過比較圖2(b) - 2(d)，這些特征隨著溫度的升高，在負HZ方向上轉換，這意味著單一的仍然存在26.0°C的峰對應於(yu) 19.0°C的槽峰對的同一峰。與(yu) 單個(ge) ρ峰或低穀相關(guan) 的不可逆躍遷隻能完全描述為(wei) 兩(liang) 個(ge) 開關(guan) 事件的組合，一個(ge) 與(yu) 每個(ge) 場掃描相關(guan) 。峰或穀的出現被分析為(wei) 一種因果關(guan) 係，其中在負場掃描期間的開關(guan) 事件改變了隨後在正場掃描期間的開關(guan) 事件。
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