我們對(duì)Pt/Co/Fe/Ir磁堆進(jìn)行了溫度調(diào)制的一階反轉(zhuǎn)曲線（FORC）研究庇勃，該磁堆顯示出隨著溫度的升高，從孤立的skyrmions到skyrmions晶格的磁相變责嚷。利用原位磁光Kerr成像，導(dǎo)出了與FORC分布峰在其反轉(zhuǎn)和掃描場中相關(guān)的域變換的廣義描述掂铐，以便從FORC圖中直接分析罕拂。
基于一階反轉(zhuǎn)曲線研究的溫度調(diào)制磁離子相及相變分析(一)
磁性粒子是一種粒子狀的納米級(jí)磁化狀態(tài)。由于具有作為高密度信息載體的巨大潛力爆班，磁性基板目前正被積極研究用于存儲(chǔ)、計(jì)算邏輯和非常規(guī)計(jì)算系統(tǒng)等應(yīng)用辱姨。磁skyrmions穩(wěn)定化要求系統(tǒng)有利于非平行相鄰自旋柿菩，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(FM)-重金屬（HM）多層材料通常在室溫下穩(wěn)定磁性粒子雨涛，因?yàn)樵诰哂写笞孕?軌道耦合的FM和HM的界面處會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)界面- dmi枢舶。通過在堆棧中多次重復(fù)這些FM/HM層，增強(qiáng)了偶極相互作用替久，從而進(jìn)一步穩(wěn)定了磁天空凉泄。
由于磁基粒子的穩(wěn)定性主要取決于其結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)段的能量成本蚯根，因此通常使用由疇壁能導(dǎo)出的材料參數(shù)κ = πD/4√AK來表征這些材料中磁基粒子的穩(wěn)定性后众，其中D為DMI強(qiáng)度，A為交換剛度稼锅，K為有效磁各向異性強(qiáng)度吼具。隨著DMI強(qiáng)度的增加和κ接近統(tǒng)一矩距，skyrmions變得越來越有利，并作為孤立的skyrmions存在怖竭。在單位以上锥债，疇壁能量變?yōu)樨?fù)，導(dǎo)致在填充或點(diǎn)陣構(gòu)型中skyrmions的擴(kuò)散哮肚。雖然可以調(diào)整多層膜的組成和結(jié)構(gòu)以獲得具有所需κ的材料，但先前的研究也報(bào)道了κ隨溫度升高广匙。
一階反轉(zhuǎn)曲線（FORC）技術(shù)使用反轉(zhuǎn)場允趟、掃描場和磁化數(shù)據(jù)的組合來確定不可逆轉(zhuǎn)變。FORC特別適合于磁性天空的表征鸦致，因?yàn)樗沂玖嗽谥饕?a style="color: blue" href="http://www.wjjzl.com/three-level-150.html" target="_blank">磁滯回線甚至光學(xué)成像技術(shù)中無法察覺的磁狀態(tài)和躍遷潮剪』量基于在反轉(zhuǎn)場上的FORC分布峰的投影，F(xiàn)ORC技術(shù)的應(yīng)用被證明對(duì)z大化零場天空是有用的抗碰。zui近的一項(xiàng)工作擴(kuò)展了它的用途，從通過FORC分布的消失中確定了純nsamel skyrmion結(jié)構(gòu)弧蝇。一些早期研究類似氣泡-條紋躍遷的工作也將FORC特征歸因于磁條的斷裂和逆轉(zhuǎn)場中的skyrmion湮滅碳褒。然而，這些分析仍然局限于反轉(zhuǎn)場或一個(gè)特定的特征看疗，使得整個(gè)磁場未被探索沙峻，其有關(guān)系統(tǒng)的相關(guān)信息也被隱藏
在這篇論文中，我們報(bào)告了利用霍爾電壓測量和原位磁光克爾效應(yīng)（MOKE）成像技術(shù)两芳，在反轉(zhuǎn)場和掃描場中對(duì)skyrmion變換的分析专酗。確定了與各個(gè)FORC分布峰相關(guān)的域變換過程，并證明了從孤立的skyrmion到skyrmion晶格的各個(gè)skyrmion相之間的域變換過程是一致的盗扇。區(qū)域-區(qū)域分離的發(fā)散和迷宮狀態(tài)下的末端分離是決定FORC特征的另一個(gè)關(guān)鍵現(xiàn)象。此外疗隶，建立了一個(gè)以FORC分布峰為特征的模型來描述隨著κ的增加而發(fā)生的變化由此可以推導(dǎo)出粒子相位和其他有用的場范圍佑笋。
本實(shí)驗(yàn)中使用的材料堆為Ta(5)/Ir(2)/ [Pt(1)/Co(0.5)/Fe(0.5)/Ir(0.8)]2/Ta(5)（名義層厚度以納米為單位），用于Pt/Co和Fe/Ir界面的強(qiáng)加性界面Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（i-DMI）斑鼻。采用熱氧化硅片作為襯底蒋纬。材料堆在室溫下使用磁控濺射系統(tǒng)（AJA ATC-Orion 8）沉積，基壓為8 × 10?8 Torr或更高坚弱。在2.0 mTorr的濺射壓力和0.68蜀备、0.62、0.37荒叶、0.30 ?/s的沉積速率下碾阁，采用直流沉積法制備了Pt、Ta些楣、Ir和Fe材料脂凶。在3.0 mTorr的濺射壓力和0.26 ?/s的沉積速率下愁茁，通過射頻電流沉積Co蚕钦。頂部和底部的Ta(5)層分別作為抗氧化和粘附的保護(hù)層沉積。添加了額外的Ir底層以為重復(fù)層提供類似的接口鹅很。隨后嘶居，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離子銑削系統(tǒng)）技術(shù)促煮，制作了20 μm × 10 μm寬的霍爾交叉器件邮屁。
磁疇成像使用MagVision Kerr成像系統(tǒng)整袁，該系統(tǒng)在MOKE上運(yùn)行。在極性配置中樱报，面外磁化被探測并觀察到圖像中不同程度的亮度。在圖像中迹蛤，較低亮度的區(qū)域?qū)?yīng)于負(fù)面外方向的磁化民珍，反之亦然。圖像的色彩平衡已被調(diào)整盗飒，以提供定性分析的對(duì)比度嚷量。
用于FORC測量的面外磁化是通過霍爾交叉上的反常霍爾效應(yīng)引起的霍爾電壓來測量的逆趣。采用霍爾電壓鎖相檢測優(yōu)化信噪比蝶溶。采用電流密度為2.3 × 109 A/m2的弱感應(yīng)電流探測磁化強(qiáng)度，并通過MOKE圖像驗(yàn)證了磁化強(qiáng)度對(duì)磁疇的影響可以忽略不計(jì)宣渗。
就地進(jìn)行電測量和MOKE成像。然而痕囱，需要較長的曝光時(shí)間才能獲得足夠清晰的MOKE圖像田轧。因此，遲滯的MOKE圖像是在面外場的逐步變化中拍攝的鞍恢，而不是連續(xù)的場掃描傻粘。對(duì)于FORC掃描拍攝的每張圖像，在拍攝MOKE圖像之前帮掉，從正飽和場到反轉(zhuǎn)場進(jìn)行全序列磁場掃描弦悉，直到所需的zui終場。
采用比例-積分-導(dǎo)數(shù)（PID）控制的熱電冷卻器進(jìn)行溫度調(diào)制稽莉。熱電冷卻器直接固定在樣品級(jí)的下方，熱敏電阻連接到冷卻器上盅称。Arduino Nano微控制器通過預(yù)先校準(zhǔn)的熱敏電阻電阻來測量溫度肩祥，通過PID計(jì)算來控制熱電冷卻器的輸出，并在環(huán)境波動(dòng)的情況下保持所需的溫度缩膝。所有測量都保持小于0.1°C的波動(dòng)。通過對(duì)樣品器件電阻的測量岸霹，驗(yàn)證了熱電冷卻器通過臺(tái)階到樣品器件的熱導(dǎo)率是可靠的疾层，在數(shù)秒內(nèi)實(shí)現(xiàn)了熱平衡。
圖 1
首先贡避，提出了在18.0°C至26.0°C的小溫度范圍內(nèi)發(fā)生κ跨單位轉(zhuǎn)變的支持證據(jù)予弧。圖1(a)顯示了主磁滯回線的封閉面積和梯度隨溫度的減小，表明各向異性向薄膜平面移動(dòng)湖饱。飽和霍爾電壓隨溫度線性下降與飽和磁化強(qiáng)度隨溫度的預(yù)期下降有關(guān)掖蛤，如圖1(a)插圖所示。通過二維快速傅立葉變換對(duì)遞減交變場掃描獲得的退磁域的MOKE圖像進(jìn)行分析井厌，得出其相應(yīng)的域周期性蚓庭，如圖1(b)所示。雖然沒有直接測量κ仅仆，但圖1(a)和1(b)的結(jié)果仍然與κ增加的狀態(tài)一致器赞。圖1(c)為在19.0℃和26.0℃溫度下墓拜，將面外磁場HZ從正飽和場掃向其標(biāo)記場后的磁疇MOKE圖像港柜。在19.0°C時(shí)，迷宮疇斷裂為長條形疇咳榜，隨著HZ的減小夏醉，條形疇退化為稀疏的孤立的skyrmion態(tài)涌韩。而在26.0°C和5.1°e時(shí)畔柔，結(jié)構(gòu)域由短條紋段和天空狀結(jié)構(gòu)域混合而成，而不是迷宮結(jié)構(gòu)贸辈。隨著HZ的進(jìn)一步降低释树，這些條紋片段斷裂成密集排列的skyrmion晶格結(jié)構(gòu)。因此擎淤，本研究中使用的溫度范圍為18.0°C至26.0°C，涵蓋了κ < 1至skyrmion晶格κ > 1的孤立skyrmion狀態(tài)嘴拢。
圖 2
根據(jù)圖2(a)所示的磁場掃描順序獲得力桩盲。對(duì)于單個(gè)FORC， HZ首先從足以達(dá)到飽和狀態(tài)的HSat掃向圖2(a)中藍(lán)色虛線所示的較低或負(fù)場HR席吴。這個(gè)磁場掃描從現(xiàn)在起被稱為負(fù)磁場掃描赌结。在反轉(zhuǎn)場HR處，采集磁化強(qiáng)度M（HR孝冒， HZ）數(shù)據(jù)時(shí)柬姚，將磁場掃描方向反轉(zhuǎn)，沿紅色實(shí)線掃回HSat庄涡。這個(gè)場掃描從現(xiàn)在起被稱為正場掃描。在期望的HR范圍內(nèi)重復(fù)多個(gè)FORC，以計(jì)算公式ρ =?(?2M/?HR?HZ)/2給出的FORC分布ρ撕捍。圖2(b) -2 (d)顯示了分別為19.0°C拿穴、23.0°C和26.0°C時(shí)ρ的等高線圖，即FORC圖忧风。不可逆躍遷是由非零ρ在FORC圖上的區(qū)域確定的默色。圖2(b)顯示了磁天空子的兩個(gè)主要特征，即HR≈15 Oe處的上峰和HR≈20 Oe處的下槽峰對(duì)狮腿。通過比較圖2(b) - 2(d)腿宰，這些特征隨著溫度的升高，在負(fù)HZ方向上轉(zhuǎn)換酗失，這意味著單一的仍然存在26.0°C的峰對(duì)應(yīng)于19.0°C的槽峰對(duì)的同一峰。與單個(gè)ρ峰或低谷相關(guān)的不可逆躍遷只能完全描述為兩個(gè)開關(guān)事件的組合昧绣，一個(gè)與每個(gè)場掃描相關(guān)规肴。峰或谷的出現(xiàn)被分析為一種因果關(guān)系，其中在負(fù)場掃描期間的開關(guān)事件改變了隨后在正場掃描期間的開關(guān)事件夜畴。
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