Advanced Functional Materials:建立人工磁子晶体中非线性磁畴结构与铁磁共振间的关联

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磁子晶体作为一种由周期性排列组成的新型磁性材料,可以通过外磁场调控磁畴结构实现材料铁磁共振的调控,为设计高度集成化电子器件中的电磁兼容薄膜材料和新型自旋电子学器件提供了新的自由度,在可重构化场景中具有潜在的应用价值。然而,当外磁场低于饱和磁场时,磁性薄膜通常展现出复杂的非线性磁畴结构,为材料性能的精准化设计带来一定的困难。因此,建立非线性磁畴结构与铁磁共振联系具有重要的科学研究意义和工程应用价值。

近日,杭州电子科技大学张雪峰教授课题组报道了人工磁子晶体中非线性磁畴结构与铁磁共振之间的关联。采用洛伦兹透射电子显微镜观测到人工磁子晶体中的复杂磁畴结构及其在原位磁场下的演化过程,利用外磁场引起的塞曼能与周期结构引起的静磁能之间相互竞争,可以在一定磁场范围内出现有序的畴壁排布,这种有序畴壁的出现有利于多种自旋波共振模式的共振,从而引起铁磁共振的劈裂现象。该项研究工作不仅为理解复杂的自旋动力学现象提供见解,也为设计新型磁性功能器件提供了参考。

首先表征了连续薄膜中的磁畴结构:制备态的连续薄膜中出现了大量的涡旋-反涡旋对,同时存在复杂的畴壁连接这些涡旋-反涡旋对(图1a);而加饱和磁场磁化以后再撤掉外磁场,连续薄膜中则出现河流状畴壁分布(图1b),并且在施加外磁场的过程中畴壁逐渐被破坏,在较小的磁场下(4.9 mT)畴壁就完全消失(图1c-f)。

【图1】连续薄膜中的磁畴结构。(a)制备态连续薄膜中出现大量涡旋-反涡旋对;(b)退磁态连续薄膜中出现大量河流状分布的畴壁;(c)-(f)施加平面内外磁场后连续薄膜中的磁畴结构演化过程。

当引入周期性排布的图案之后(图2a),由于微纳结构引起的静磁能起主导地位,河流状分布的畴壁开始沿图案周围出现一定规律分布;随着平面内外磁场的增强,利用磁场引起的塞曼能与静磁能的相互竞争,开始在图案边缘形成有序的弧形畴壁(例如4.98 mT);当磁场进一步增强后,塞曼能逐渐占据主导地位,趋使磁矩沿磁场方向排列,从而形成了线性铁磁态。这个规律也通过微磁学模式进行了重构(图2b)。

【图2】原位磁场驱动磁畴结构演化过程。(a)反点阵列组成的磁子晶体在平面内外磁场下磁畴演化过程;(b)微磁学模拟重构磁畴演变过程。

结合铁磁共振谱发现,连续薄膜中只存在一个共振峰C1(图3a);而在磁子晶体中,当磁场增加到3 mT附近,共振峰出现劈裂现象,形成两个共振峰P1和P2(图3b),该劈裂现象是由于磁子晶体中形成的有序的弧形畴壁结构。随着外磁场的增强,弧形畴壁逐渐消失形成线性铁磁态,从而导致P2峰也开始与P1峰合并,与连续膜共振一致。该劈裂现象也通过微磁学模拟进行了重构(图3c),并且发现该劈裂来源于有序畴壁形成引起的自旋波共振模式(图3d),而畴壁之间线性排布的磁矩则激发了准一致共振模式(图3e),即P1共振峰。连续薄膜中C1共振峰也来源于畴壁之间磁矩准一致共振模式(图3f)。

【图3】连续薄膜和磁子晶体的铁磁共振谱及自旋波共振模式。(a)连续薄膜的铁磁共振谱;(b)磁子晶体的铁磁共振谱;(c)微磁学模拟重构磁子晶体铁磁共振谱;磁子晶体中有序畴壁引起的(d)限域自旋波共振模式和(e)准一致共振模式;(f)连续薄膜或磁子晶体中无序畴壁引起的准一致共振模式。

上述研究工作得到了国家重点研发计划(2019YFE0121700)、国家自然科学基金项目(U1704253, 51471045)、浙江省重点研发计划(2021C01033, 2019C01121)、浙江省自然科学基金(LR18E010001)和国家重大科研仪器研制项目(51927802)的支持。

论文信息:

Reconfigurable Ferromagnetic Resonances by Engineering Inhomogeneous Magnetic Textures in Artificial Magnonic Crystals

Lianze Ji, Rongzhi Zhao, Xin Hu, Chenglong Hu, Xiaochen Shen, Xiaolian Liu, Xiaoyu Zhao, Jian Zhang, Wenchao Chen, Xuefeng Zhang*

Advanced Functional Materials

DOI: 10.1002/adfm.202112956

原文链接:https://doi.org/10.1002/adfm.202112956