本發(fā)明涉及一種fe3sn2磁性材料的用途及其制備方法。

背景技術(shù)：

磁性斯格明子(magneticskyrmions)是一類全新的具有渦旋狀自旋的磁疇結(jié)構(gòu)，其具有(1)極小的尺寸(10～100nm)；(2)拓?fù)浔Ｗo(hù)性(不受雜質(zhì)等干擾)；(3)低臨界磁疇翻轉(zhuǎn)電流密度(＜10⁶a/m²)等特點(diǎn)。將它應(yīng)用于磁存儲(chǔ)領(lǐng)域可以有效的解決制約目前磁存儲(chǔ)器件發(fā)展的問(wèn)題(順磁物理極限、揮發(fā)性和焦耳熱等問(wèn)題)，因此極有希望應(yīng)用于高密度和低能耗的磁存儲(chǔ)及自旋轉(zhuǎn)移矩等新一代自旋電子學(xué)器件。

磁性斯格明子多發(fā)現(xiàn)于具有非中心對(duì)稱結(jié)構(gòu)的手性材料中，例如具有b20結(jié)構(gòu)的金屬螺旋磁體(mnsi、fecosi、fege、mnge)、多鐵材料cu2oseo3以及mn-zn鐵氧體，在這些材料中dzyaloshinskii-moriya(dm)相互作用與海森堡直接交換作用競(jìng)爭(zhēng)導(dǎo)致了斯格明子的產(chǎn)生。但是，這類材料的居里溫度較低(斯格明子出現(xiàn)在居里溫度附近及以下)同時(shí)磁性斯格明子成相溫區(qū)較窄(目前塊體中的斯格明子一般只存在于居里溫度附近的幾k范圍內(nèi))，因此嚴(yán)重阻礙了現(xiàn)有磁性斯格明子材料在磁存儲(chǔ)器件中的應(yīng)用。另外，由于dzyaloshinskii-moriya相互作用限制了斯格明子螺旋和渦旋自由度，這使斯格明子只具有單一的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，限制了斯格明子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的多樣化研究。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

因此，本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有材料和技術(shù)的缺陷，提供fe3sn2材料作為磁存儲(chǔ)材料的用途。

根據(jù)本發(fā)明的fe3sn2材料的用途，優(yōu)選地，所述fe3sn2材料用于磁存儲(chǔ)器。

根據(jù)本發(fā)明的fe3sn2材料的用途，優(yōu)選地，所述fe3sn2材料用于室溫磁存儲(chǔ)器。

根據(jù)本發(fā)明的fe3sn2材料的用途，優(yōu)選地，所述fe3sn2材料用于賽道型磁存儲(chǔ)器。

根據(jù)本發(fā)明的fe3sn2材料的用途，優(yōu)選地，所述fe3sn2材料采用如下步驟制備：

步驟一：按fe：sn＝1：19的比例，分別稱量純度為99.95％的fe、sn金屬原料；

步驟二：將稱好的fe、sn金屬原料放入氧化鋁坩堝中，然后將所述氧化鋁坩堝密封在鉭容器中。

步驟三：在所述鉭容器外部加封石英管，并轉(zhuǎn)移到電阻爐中進(jìn)行材料生長(zhǎng)。

根據(jù)本發(fā)明的fe3sn2材料的用途，優(yōu)選地，所述鉭容器包括一端封口的鉭管和鉭蓋。

本發(fā)明還提供了一種磁存儲(chǔ)器，包括由fe3sn2材料構(gòu)成的磁存儲(chǔ)介質(zhì)。

根據(jù)本發(fā)明的磁存儲(chǔ)器，優(yōu)選地，還包括用于給所述磁存儲(chǔ)介質(zhì)外加磁場(chǎng)的磁場(chǎng)源和用于控制所述磁場(chǎng)源的控制器。

本發(fā)明還提供了一種fe3sn2材料的制備方法，包括如下步驟：

步驟一：按fe：sn＝1：19的比例，分別稱量純度為99.95％的fe、sn金屬原料；

步驟二：將稱好的fe、sn金屬原料放入氧化鋁坩堝中，然后將所述氧化鋁坩堝密封在鉭容器中。

步驟三：在所述鉭容器外部加封石英管，并轉(zhuǎn)移到電阻爐中進(jìn)行材料生長(zhǎng)。

根據(jù)fe3sn2材料的制備方法，優(yōu)選地，所述鉭容器包括一端封口的鉭管和鉭蓋。

根據(jù)fe3sn2材料的制備方法，優(yōu)選地，將氧化鋁坩堝密封在鉭容器中包括將氧化鋁坩堝裝入一端封口的鉭管中，然后加蓋鉭蓋。

本發(fā)明通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，fe3sn2材料具有多種拓?fù)鋺B(tài)磁性斯格明子納米磁疇結(jié)構(gòu)，能夠應(yīng)用于多態(tài)磁存儲(chǔ)。另外，采用本發(fā)明的方法制備的fe3sn2材料的尺寸較大，質(zhì)量較高，更有利于其在磁存儲(chǔ)領(lǐng)域的應(yīng)用。

附圖說(shuō)明

以下參照附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，其中：

圖1示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的fe3sn2材料生長(zhǎng)過(guò)程中溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系；

圖2為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例制備的fe3sn2單晶塊體樣品的視圖；

圖3示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例制備的fe3sn2樣品的熱磁曲線；

圖4示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例制備的fe3sn2樣品的室溫電阻隨磁場(chǎng)變化的曲線；

圖5示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例制備的fe3sn2樣品的室溫交流磁化率隨磁場(chǎng)變化的曲線；

圖6示出利用洛倫茲電鏡觀察到的根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例制備的fe3sn2樣品在室溫磁疇結(jié)構(gòu)隨磁場(chǎng)的變化；

圖7示出利用洛倫茲電鏡觀察到的根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例制備的fe3sn2樣品在室溫經(jīng)飽和磁化降到零場(chǎng)后的洛倫茲電鏡磁疇結(jié)構(gòu)；以及

圖8示出利用洛倫茲電鏡觀察到的根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例制備的fe3sn2樣品在室溫經(jīng)未飽和磁化降到零場(chǎng)后的洛倫茲電鏡磁疇結(jié)構(gòu)。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖通過(guò)具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明的實(shí)施例制備組份為fe3sn2的具有室溫斯格明子納米磁疇結(jié)構(gòu)的磁性合金單晶。采用高溫sn助溶劑方法，制備高質(zhì)量fe3sn2單晶，具體步驟如下：

(1)按fe：sn＝1：19的比例，分別稱量純度為99.95％的fe、sn金屬原料；

(2)將稱好的原料放入氧化鋁坩堝中，然后將裝有原料的氧化鋁坩堝外面加套一端封口的鉭管，另一端加蓋鉭蓋。然后將這一套裝管轉(zhuǎn)移到真空電弧爐中，在爐腔真空度達(dá)到1×10^-4pa以下時(shí)，通入0.1mpa氬氣，用電弧將鉭蓋與鉭管封裝為一體，整個(gè)封裝過(guò)程采用氬氣保護(hù)，封裝電流30a。

(3)將封裝好的鉭管外部加封石英管，最后轉(zhuǎn)移到電阻爐中進(jìn)行材料生長(zhǎng)。具體生長(zhǎng)條件為：首先，15小時(shí)升到1150℃，保溫72小時(shí)后6小時(shí)降到910℃，然后140小時(shí)降到800℃。然后將石英管轉(zhuǎn)移到離心機(jī)中進(jìn)行離心處理，使助溶劑與單晶樣品分離，從而獲得尺寸約0.7mm*0.8mm*0.4mm的fe3sn2單晶塊體樣品。圖1示出該實(shí)施例的fe3sn2材料生長(zhǎng)過(guò)程中溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系。圖2為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例制備的fe3sn2單晶塊體樣品的視圖。

在本發(fā)明的該實(shí)施例中，氧化鋁坩堝外面加套一端封口的鉭管，并加蓋鉭蓋，實(shí)現(xiàn)了氧化鋁坩堝與外界的隔離，增加了所制備的fe3sn2單晶塊體樣品的尺寸，提高了樣品質(zhì)量。根據(jù)其他實(shí)施例，也可以采用本領(lǐng)域公知的任意其他方式實(shí)現(xiàn)氧化鋁坩堝與外界的隔離。

根據(jù)室溫單晶x射線衍射，可確定樣品在室溫為菱方結(jié)構(gòu)(空間群r-3m)，晶格參數(shù)為

圖3示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例制備的fe3sn2樣品的熱磁曲線，通過(guò)熱磁曲線可以確定其居里溫度為大約650k。fe3sn2材料在650k以上為順磁態(tài)，而在650k以下為鐵磁態(tài)。在650k以下，fe3sn2材料的磁易軸逐漸由c方向轉(zhuǎn)向ab面。

另外，通過(guò)室溫磁性和輸運(yùn)測(cè)量，獲得本發(fā)明實(shí)施例制備的fe3sn2樣品的各種磁、輸運(yùn)特性曲線。圖4是fe3sn2樣品的室溫電阻隨磁場(chǎng)變化的曲線，可以看出，隨外加磁場(chǎng)的增加，電阻出現(xiàn)規(guī)律性的上升和下降，這說(shuō)明樣品的微觀磁籌結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化。圖5是fe3sn2樣品的室溫交流磁化率隨磁場(chǎng)變化的曲線。與圖3相對(duì)應(yīng)，隨著外加磁場(chǎng)的增加，樣品的交流磁化率出現(xiàn)規(guī)律性的上升和下降。磁電阻和交流磁化率測(cè)量說(shuō)明樣品的微觀磁籌結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化，預(yù)示磁性斯格明子的形成。

本發(fā)明人通過(guò)洛倫茲電鏡觀察fe3sn2樣品的微觀磁疇結(jié)構(gòu)。

圖6是利用洛倫茲電鏡觀察到的fe3sn2樣品在室溫磁疇結(jié)構(gòu)隨磁場(chǎng)的變化。圖6的(a)是在沒(méi)有外加磁場(chǎng)情況，樣品磁疇形態(tài)。在沒(méi)有外加磁場(chǎng)時(shí)，樣品自發(fā)出現(xiàn)條狀疇，其周期約為200nm。隨著外加場(chǎng)的增加，與外場(chǎng)方向平行的磁疇區(qū)域增大，反向的磁疇寬度減小。如圖6的(b)，寬度減小較快的條狀疇從中間斷開(kāi)，形成局部條狀疇，如圖6的(b)所示的的磁泡。當(dāng)外加場(chǎng)達(dá)到850mt時(shí)，如圖6的(c)，條狀疇完全變成了磁性斯格明子結(jié)構(gòu)，尺寸為100-200nm左右。當(dāng)磁場(chǎng)達(dá)到900mt，如圖6的(d)，其納米磁疇斯格明子結(jié)構(gòu)完全消失，變成完全飽和的鐵磁態(tài)。

圖7是利用洛倫茲電鏡觀察到的fe3sn2樣品在室溫經(jīng)飽和磁化降到零場(chǎng)后的洛倫茲電鏡磁疇結(jié)構(gòu)。這個(gè)過(guò)程和圖6是相反的，從圖7的(a)的飽和鐵磁態(tài)，隨著磁場(chǎng)的減小，逐漸出現(xiàn)磁性斯格明子，最后演化成條狀疇。這說(shuō)明說(shuō)明fe3sn2樣品的磁疇狀態(tài)變化和磁性斯格明子磁疇結(jié)構(gòu)的可逆性和重復(fù)性。

圖8是利用洛倫茲電鏡觀察到的fe3sn2樣品在室溫經(jīng)未飽和磁化降到零場(chǎng)后的洛倫茲電鏡磁疇結(jié)構(gòu)。與飽和情況回到零場(chǎng)相比較，在這種情況下，在外加磁場(chǎng)沒(méi)有飽和的時(shí)候，磁性斯格明子納米疇結(jié)構(gòu)可以在零場(chǎng)穩(wěn)定存在，這就說(shuō)明，我們可以通過(guò)外加磁場(chǎng)的強(qiáng)弱，來(lái)調(diào)控磁性斯格明子的形態(tài)和穩(wěn)定性，為其實(shí)際應(yīng)用提供了多種選擇。

通過(guò)圖6-8的磁籌變換過(guò)程可以看出，在室溫條件下，磁性斯格明子fe3sn2材料的磁籌狀態(tài)變化和磁籌結(jié)構(gòu)具有可逆性和重復(fù)性，并且能夠通過(guò)外加磁場(chǎng)來(lái)調(diào)控磁性斯格明子的形態(tài)和穩(wěn)定性，這說(shuō)明fe3sn2材料具有多拓?fù)鋺B(tài)磁性斯格明子納米磁疇結(jié)構(gòu)，能夠應(yīng)用于多態(tài)磁存儲(chǔ)。有望突破現(xiàn)有材料斯格明子形成溫度低不能應(yīng)用于室溫磁存儲(chǔ)器件的瓶頸，為高密度磁存儲(chǔ)器件的發(fā)展提供了新的材料選擇。

相比目前磁存儲(chǔ)材料的磁疇在納米尺寸就無(wú)法穩(wěn)定存在的問(wèn)題，這種室溫多變拓?fù)浼{米磁疇fe3sn2材料，不僅可以達(dá)到提高存儲(chǔ)密度和降低能耗的目的，而且由于其多變的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在經(jīng)歷不同外界刺激環(huán)境下，具有存儲(chǔ)信息不丟失的特點(diǎn)。

目前磁存儲(chǔ)主要是普通鐵磁材料磁疇，為了提高磁存儲(chǔ)密度，需要進(jìn)一步減小磁疇尺寸。但由于磁疇小到納米量級(jí)的時(shí)候，表現(xiàn)出順磁，而失去了存儲(chǔ)功能。而磁性斯格明子納米磁疇就克服了這個(gè)問(wèn)題，可以減小到甚至10nm，因此是未來(lái)磁信息存儲(chǔ)的候選材料。

本發(fā)明制備的fe3sn2材料與調(diào)控其磁性斯格明子的外加磁場(chǎng)源結(jié)合，就可以實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)，用于磁存儲(chǔ)器，例如賽道型磁存儲(chǔ)器(racetrackmemory)。

根據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施例，采用本領(lǐng)域公知的任意其他方法制備的fe3sn2材料都具有圖6-8類似的性質(zhì)，可以用作磁存儲(chǔ)材料。

根據(jù)本發(fā)明的其他實(shí)施例，還提供了一種磁存儲(chǔ)器，其包括由fe3sn2材料構(gòu)成的磁存儲(chǔ)介質(zhì)。另外，還包括用于給磁存儲(chǔ)介質(zhì)外加磁場(chǎng)的磁場(chǎng)源和用于控制磁場(chǎng)源的控制器。

雖然本發(fā)明已經(jīng)通過(guò)優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行了描述，然而本發(fā)明并非局限于這里所描述的實(shí)施例，在不脫離本發(fā)明范圍的情況下還包括所作出的各種改變以及變化。