納米磁性材料的磁力顯微鏡研究及自旋注入有機(jī)半導(dǎo)體探索.pdf

1、磁性材料在電工技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)，通訊技術(shù)以及最近興起的自旋電子學(xué)等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。技術(shù)上的應(yīng)用對材料性能提出進(jìn)一步的要求，這反過來進(jìn)一步推動了磁學(xué)和磁性材料的研究。我們知道，磁性材料的性能與其微觀晶體結(jié)構(gòu)和磁疇結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，研究材料的磁疇結(jié)構(gòu)不僅有助于了解材料本身的磁化和反磁化機(jī)理，了解矯頑力機(jī)制，而且對改進(jìn)材料生產(chǎn)工藝，進(jìn)而改善磁性能也都是非常重要的。觀察磁疇的技術(shù)方法有很多種，其中最有力的工具就是磁力顯微鏡，它具有高的空間分辨率

2、(10-50nm)，不需要特殊的樣品制備，并可以測量不透明及有非磁覆蓋層的樣品，可以在任意的環(huán)境中工作，操作比較簡單，采圖任意，適用的磁性材料的范圍也很廣，由于具有上述優(yōu)勢，使得磁力顯微鏡一經(jīng)出現(xiàn)，就成為應(yīng)用最廣泛的磁疇觀察工具。 本論文主要包括兩部分的工作：第一部分主要是納米磁性材料表面微結(jié)構(gòu)與磁疇結(jié)構(gòu)的測量與表征。包括：(1)利用磁力顯微鏡研究了三種不同材料的微晶結(jié)構(gòu)和磁疇結(jié)構(gòu)，分析了微晶結(jié)構(gòu)和磁疇結(jié)構(gòu)與其磁性的關(guān)系，討論了

3、其矯頑力機(jī)制，分析了其磁性變化的原因；(2)為加深對磁力顯微鏡成像原理的了解，并為分析納米顆粒的磁疇圖形提供理論參考，進(jìn)行了單疇亞微米磁性顆粒的磁力顯微鏡圖形的計(jì)算機(jī)模擬和一些亞微米磁性結(jié)構(gòu)的微磁學(xué)模擬；(3)對新型高分辨成像技術(shù)進(jìn)行了初步探索。除了上述關(guān)于材料的性能與表征的研究以外，我們還進(jìn)行了一些自旋極化載流子注入有機(jī)半導(dǎo)體方面的探索，作為論文的第二部分。具體的研究內(nèi)容和基本結(jié)果如下： 1、首次利用磁力顯微鏡直接在銅模吸鑄法

4、獲得的直徑為5 mm的Pr<,60>Al<,10>Ni<,10>Cu<,20-x>Fe<,x>(0≤x≤20)棒狀合金圓柱側(cè)表面觀測了其制備態(tài)的表面形貌結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的磁疇結(jié)構(gòu)。發(fā)現(xiàn)隨著Fe摻雜量的增加，樣品從完全非晶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榧{米晶非晶鑲嵌結(jié)構(gòu)，然后隨著鐵摻雜量的繼續(xù)增加，轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆{米晶結(jié)構(gòu)。伴隨著樣品的磁性從順磁性轉(zhuǎn)變?yōu)橛泊判?。在Fe含量大于10 at％的樣品的表面形貌圖和相應(yīng)區(qū)域的磁力圖中，觀測到了樣品表面的晶粒結(jié)構(gòu)圖和黑白磁斑相鄰

5、的磁疇結(jié)構(gòu)圖。樣品的平均磁疇寬度要遠(yuǎn)大于樣品平均晶粒尺寸，表明了樣品中大量的相鄰晶粒在交換耦合作用下磁化方向一致排列，這是樣品中存在交換耦合作用的直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)。分析了樣品從順磁性到硬磁性轉(zhuǎn)變的原因。引入了描述納米磁性顆粒相互作用的“新隨機(jī)各項(xiàng)異性模型”，很好的解釋了樣品磁性隨Fe含量的變化。 2、利用磁力顯微鏡觀測了快淬法制備的P<,ry>Fe<,90-y>B<,10>(y=8.0～11.76)納米復(fù)合永磁材料的微晶結(jié)構(gòu)和磁疇

6、結(jié)構(gòu)，以及隨Pr含量的變化樣品表面形貌和磁疇結(jié)構(gòu)的變化情況。樣品的平均磁疇寬度要遠(yuǎn)大于樣品平均晶粒尺寸，表明了樣品中大量的相鄰晶粒在交換耦合作用下磁化方向一致排列，這是樣品中存在交換耦合作用的直接實(shí)驗(yàn)證據(jù)。隨著Pr含量的變化，樣品磁力圖中磁疇寬度和黑白反差明顯變化，其位相方均根粗糙度值(RMS)<,△ф>隨著Pr含量的增加先減小后增加，當(dāng)Pr含量為y=9.5時(shí)達(dá)到最大值，隨后隨Pr含量繼續(xù)增加逐步減小。這一變化趨勢與樣品的剩磁B<,r>

7、隨Pr含量的變化定性一致。當(dāng)Pr含量從y=8增加到9.5時(shí)，樣品剩磁Br的增加可能是因?yàn)閮蓚€(gè)原因?qū)е碌模阂皇莵喎€(wěn)相Pr<,2>Fe<,23>B<,3>和Fe<,3>B的減少；二是交換耦合作用的增強(qiáng)。樣品矯頑力隨著Pr含量的增加而增加，我們推測可能是由于Pr<,2>Fe<,14>B相的增加，低Pr含量樣品中的晶粒尺寸分布不均勻也是可能的原因之3、利用磁力顯微鏡和微磁學(xué)模擬相結(jié)合的方法研究了La<,0.7>Sr<,0.3>Fe<,11.8>

8、Co<,0.2>O<,19>燒結(jié)永磁鐵氧體的微晶結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的磁疇結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)：樣品中的顆粒多數(shù)呈不規(guī)則的扁圓柱形而不是我們通常認(rèn)為的不規(guī)則球形，在球磨的時(shí)候，大的顆粒傾向于首先沿垂直于C軸的氧離子層分裂，從而導(dǎo)致了大量的扁平顆粒的產(chǎn)生，而這對于提高產(chǎn)品的磁性能是非常不利的。這一發(fā)現(xiàn)以前尚未見報(bào)道。樣品中顆粒的磁疇結(jié)構(gòu)為單疇或簡單的多疇結(jié)構(gòu)。為了提高產(chǎn)品的磁性能，需要改進(jìn)生產(chǎn)工藝，提高球形顆粒的比例，減少扁平顆粒的比例，同時(shí)，顆粒的大小應(yīng)略

9、微小于單疇臨界尺寸。 4、定性的模擬了給定磁化方向的直徑500nm的球形相鄰磁性顆粒在各種情況下的磁力圖形，分析了抬針高度和探針磁化方向?qū)Υ帕D的影響。對我們加深對磁力顯微鏡成像機(jī)理的理解，正確分析顆粒材料的磁力圖提供了幫助，同時(shí)也為以后正確分析相似情形的磁力圖提供了有益參考。 5、用微磁學(xué)模擬的方法研究了亞微米軟磁圓盤的磁疇結(jié)構(gòu)在磁場下的變化。發(fā)現(xiàn)，在存在一個(gè)恒定的水平磁場分量(其值小于從旋渦結(jié)構(gòu)向單疇結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的臨界

10、磁場，此時(shí)旋渦中心處在圓盤邊緣)的情況下，其旋渦中心垂直開關(guān)磁場仍然遠(yuǎn)大于水平臨界磁場值，比沒有水平磁場分量時(shí)的垂直開關(guān)磁場值略小。研究了垂直開關(guān)磁場與水平磁場分量的關(guān)系，并分析了其與軟磁圓盤的直徑和厚度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)：旋渦中心垂直開關(guān)磁場和水平臨界磁場值與軟磁圓盤直徑關(guān)系不大，而跟圓盤厚度有很大關(guān)系；在傾斜磁場下，其水平臨界磁場值和旋渦中心垂直開關(guān)磁場只分別與傾斜磁場的水平分量和垂直分量有關(guān)，跟傾斜角度和總磁場值關(guān)系不大。在傾斜磁場下，

11、當(dāng)磁場從最大降為零之前(10 mT)，樣品磁結(jié)構(gòu)從單疇轉(zhuǎn)變?yōu)樾郎u結(jié)構(gòu)，其旋渦中心方向沿磁場方向排列。通過在形狀不對稱的軟磁圓盤樣品上施加與圓盤平面成一定角度的傾斜磁場，可以實(shí)現(xiàn)對旋渦中心方向和旋渦手性(順時(shí)針或逆時(shí)針)的控制。 6、對超高分辨磁敏感成像技術(shù)進(jìn)行了初步的探索。針對自旋極化掃描隧道顯微鏡很難將形貌信息和磁信息正確分離的特點(diǎn)，通過將原子力顯微技術(shù)和自旋極化掃描隧道顯微技術(shù)結(jié)合，初步提出了一種超高分辨磁敏感成像技術(shù)的原

12、理，即：掃描探針采用彈性的導(dǎo)電微懸臂和磁性針尖，在掃描時(shí)，通過保持其針尖-原子間的力恒定來保持針尖-樣品距離恒定，從而獲得形貌信息，并使非自旋極化隧道電流部分保持不變，而自旋極化隧道電流部分隨樣品表面磁性變化而變化，測量總隧道電流的變化，從而實(shí)現(xiàn)磁敏感成像。我們還初步討論了其運(yùn)行模式。對探針需要滿足的條件和一些其它因素也進(jìn)行了初步的探索。 7、首次利用真空熱蒸發(fā)的方法制備了“LCMO／Al<,q3>／Co”有機(jī)自旋閥器件，并研究