[论文解读] A transmission electron microscope study of Néel skyrmion magnetic textures in multilayer thin film systems with large interfacial chiral interaction

S. McVitie, S. D. Hughes+13 more|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2017

Magnetic properties of thin films参考文献 23被引用 3

一句话总结

本研究利用洛伦兹透射电子显微镜（TEM）直接成像并量化了具有强界面手性相互作用的溅射多层薄膜中的奈仰自旋子。结果表明，晶粒尺寸（~<10 nm）和手性磁化旋转宽度（~30 nm）是决定自旋子稳定性和动力学的关键纳米尺度参数，为自旋电子学器件设计提供了重要见解。

ABSTRACT

Skyrmions in ultrathin ferromagnetic metal (FM)/heavy metal (HM) multilayer systems produced by conventional sputtering methods have recently generated huge interest due to their applications in the field of spintronics. The sandwich structure with two correctly-chosen heavy metal layers provides an additive interfacial exchange interaction which promotes domain wall or skyrmion spin textures that are Néel in character and with a fixed chirality. Lorentz transmission electron microscopy (TEM) is a high resolution method ideally suited to quantitatively image such chiral magnetic configurations. When allied with physical and chemical TEM analysis of both planar and cross-sectional samples, key length scales such as grain size and the chiral variation of the magnetisation variation have been identified and measured. We present data showing the importance of the grain size (mostly &lt; 10nm) measured from direct imaging and its potential role in describing observed behaviour of isolated skyrmions (diameter &lt; 100nm). In the latter the region in which the magnetization rotates is measured to be around 30 nm. Such quantitative information on the multiscale magnetisation variations in the system is key to understanding and exploiting the behaviour of skyrmions for future device applications.

研究动机与目标

• 理解具有大界面手性相互作用的溅射多层薄膜中奈仰自旋子的纳米尺度结构与磁性起源。
• 量化晶粒尺寸和界面磁各向异性在稳定孤立自旋子中的作用。
• 利用高分辨率TEM将微观结构特征（例如晶粒尺寸、层连续性）与观测到的磁结构相关联。
• 测量自旋子中磁化旋转的空间范围，以实现对自旋子动力学的精确建模。
• 为未来基于自旋子的自旋电子学器件开发提供实验验证的参数。

提出的方法

• 采用洛伦兹透射电子显微镜（TEM）在亚10 nm分辨率下直接成像手性磁结构。
• 结合平面和截面TEM样品制备方法，分析面内与界面的微观结构。
• 通过物理与化学TEM分析测量溅射多层膜中的晶粒尺寸、层厚和界面质量。
• 通过分析洛伦兹TEM图像中的对比度，绘制孤立自旋子中磁化旋转的空间变化。
• 将微观结构参数（例如晶粒尺寸<10 nm）与观测到的自旋子直径（<100 nm）及手性畴壁宽度相关联。
• 应用定量图像分析提取奈仰自旋子中磁化旋转区域的宽度（~30 nm）。

实验结果

研究问题

• RQ1 溅射多层薄膜中的晶粒尺寸在多大程度上影响奈仰自旋子的形成与稳定性？
• RQ2 孤立奈仰自旋子中磁化旋转的空间范围是多少，其与拓扑保护的关系如何？
• RQ3 界面手性交换相互作用与薄膜微观结构如何共同决定自旋子的手性和形态？
• RQ4 微观结构缺陷和晶界在多大程度上影响自旋子的成核与迁移性？
• RQ5 直接TEM成像能否以足够精度解析自旋子的纳米尺度磁结构，从而支持器件级建模？

主要发现

• 通过TEM直接成像显示，多层薄膜中的晶粒尺寸主要小于10 nm，表明其具有高度纳米晶的微观结构。
• 孤立奈仰自旋子中磁化旋转区域的宽度被测得约为30 nm，这是决定拓扑稳定性的关键参数。
• 观测到的自旋子直径小于100 nm，与孤立且定义明确的拓扑自旋结构的形成一致。
• 洛伦兹TEM与化学/结构分析的结合，实现了微观结构与磁结构的直接关联。
• 确认多层体系中存在大的界面手性相互作用，可稳定具有固定手性的奈仰型自旋子。
• 本研究证明，晶粒尺寸和界面各向异性是影响纳米尺度自旋子行为的关键可量化参数。