一种基于石墨烯和金属复合材料产生斯格明子的方法
阅读说明：本技术 一种基于石墨烯和金属复合材料产生斯格明子的方法 (Method for generating sigmin based on graphene and metal composite material ) 是由 赵国平 饶选秀 赵莉 梁雪 于 2021-08-04 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种基于石墨烯和金属复合材料产生斯格明子的方法,包括以下步骤：构建磁性多层膜结构和产生斯格明子；本发明通过调节石墨烯与铁磁之间的厚度以调节该结构的DMI值和PMA值,以及复合材料层的DMI值以实现磁结构中斯格明子的产生,通过在电流注入层注入自旋极化电流产生斯格明子,石墨烯的加入实现更好地对该结构DMI值和PMA值进行调控,在一个较大范围内实现各种磁结构的成核,且石墨烯和铁磁可以诱导出较大的DMI,该DMI不再需要非磁性层具有强大的自旋轨道耦合,大大扩展了异质结构材料选择范围；另外石墨烯的加入不仅可以对金属层起到抗氧化作用,还能作为活性剂利于铁磁层生长,形成多层膜结构,可实现性更强。(The invention discloses a method for generating sigramins based on graphene and metal composite materials, which comprises the following steps: constructing a magnetic multilayer film structure and generating a sigramin; the thickness between the graphene and the ferromagnetic body is adjusted to adjust the DMI value and the PMA value of the structure and the DMI value of the composite material layer to realize generation of the SgGemin in the magnetic structure, the spin-polarized current is injected into the current injection layer to generate the SgGemin, the addition of the graphene realizes better regulation and control of the DMI value and the PMA value of the structure, nucleation of various magnetic structures is realized in a larger range, the graphene and the ferromagnetic body can induce larger DMI, the DMI does not need a nonmagnetic layer to have strong spin-orbit coupling, and the selection range of heterogeneous structure materials is greatly expanded; in addition, due to the addition of the graphene, an anti-oxidation effect can be achieved on the metal layer, the graphene can be used as an active agent to be beneficial to the growth of the ferromagnetic layer, a multilayer film structure is formed, and the realizability is higher.)
技术领域
本发明涉及斯格明子技术领域，尤其涉及一种基于石墨烯和金属复合材料产生斯格明子的方法。
背景技术
随着现代电子信息技术的高速发展，对磁信息存储器件的存储密度和能耗提出了越来越高的要求，具有粒子特性的磁性斯格明子的尺寸为纳米量级(10-100nm)，是一种具有拓扑保护的磁结构；斯格明子的自旋排列克服了传统磁性材料尺寸的局限性，并能保证存储信息的可靠性，斯格明子的拓扑磁畴结构可以使得电流与之发生相互作用产生拓扑霍尔效应；驱动斯格明子的电流密度比驱动传统磁畴壁低5～6个量级，因此其被广泛认为是一种具有高速度，高密度，低能耗等特点的非易性自旋存储器件中的信息载体，有望应用于高密度、低能耗的新一代磁存储和自旋电子学器件中。
传统产生磁性斯格明子的方法大都操作复杂，利用的是自旋极化电流，且可调控性不高，材料选择范围不大，不具备很好的抗氧化作用，可实现性不强；因此，本发明提出一种基于石墨烯和金属复合材料产生斯格明子的方法以解决现有技术中存在的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提出一种基于石墨烯和金属复合材料产生斯格明子的方法，该方法通过调节石墨烯与铁磁之间的DMI值和PMA值，以及复合材料层的DMI值以实现磁性多层膜结构中斯格明子的产生，通过在电流注入层注入自旋极化电流产生斯格明子，提高了产生斯格明子方法的可调控性、材料选择范围、抗氧化作用和可实现性。
为了实现本发明的目的，本发明通过以下技术方案实现：一种基于石墨烯和金属复合材料产生斯格明子的方法，包括以下步骤：
步骤一：构建磁性多层膜结构
先在基底层上设置复合材料层CoPt，再在复合材料层上增加一层铁磁层Co，接着在铁磁层上设置石墨烯层，最后在石墨烯层上设置电流注入层，并通过基底层、复合材料层、铁磁层、石墨烯层和电流注入层共同构成完整的计算模型，所述基底层、复合材料层、铁磁层、石墨烯层和电流注入层为同一几何中心；
步骤二：产生斯格明子
根据步骤一，磁性多层膜结构构建完毕后在电流注入层注入自旋极化电流，注入时间为0.5ns，并调节石墨烯层与铁磁层之间的PMA值以及铁磁层和复合材料层的DMI值，最后产生斯格明子。
进一步改进在于：所述步骤一中，所述基底层、复合材料层、铁磁层、石墨烯层和电流注入层均为圆盘结构，所述基底层、复合材料层、铁磁层和石墨烯层的半径为100nm，所述电流注入层的半径为10nm，所述铁磁层的厚度为0.4nm。
进一步改进在于：所述步骤一中，所述基底层为氧化镁绝缘基底，所述复合材料层为铁磁与重金属层，所述重金属层为Pt层。
进一步改进在于：所述铁磁和重金属作用产生稳定磁性斯格明子所需的DMI值，所述石墨烯层与铁磁层作用形成可调控DMI值和PMA值。
进一步改进在于：所述步骤二中，所述电流注入层注入自旋极化电流后，铁磁与重金属由于巨自旋轨道耦合作用提供DM相互作用，在注入自旋极化电流后，产生斯格明子。
进一步改进在于：所述步骤二中，所述电流注入层注入自旋极化电流后，石墨烯的作用导致石墨烯层和铁磁层之间产生DMI值并增加PMA值，通过电流注入层注入自旋极化电流后成功产生斯格明子。
本发明的有益效果为：本发明通过调节石墨烯与铁磁之间的厚度来改变该模型中的DMI值和PMA值，以及复合材料层的DMI值以实现磁结构中斯格明子的产生，通过在电流注入层注入自旋极化电流产生斯格明子；并通过石墨烯的加入实现更好地对该结构DMI值和PMA值进行调控，在一个较大范围内实现各种磁结构的成核，且石墨烯和铁磁可以诱导出较大的DMI，该DMI不再需要非磁性层具有强大的自旋轨道耦合，从而大大扩展了异质结构材料选择范围；另外石墨烯的加入不仅可以对金属层起到抗氧化作用，还能作为活性剂利于铁磁层生长，形成多层膜结构，可实现性更强。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的磁结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例一
参见图1，本实施例提供了一种基于石墨烯和金属复合材料产生斯格明子的方法，包括以下步骤：
步骤一：构建磁性多层膜结构
先在基底层上设置复合材料层CoPt，再在复合材料层上增加一层铁磁层Co，接着在铁磁层上设置石墨烯层，最后在石墨烯层上设置电流注入层，并通过基底层、复合材料层、铁磁层、石墨烯层和电流注入层共同构成完整的计算模型；所述基底层、复合材料层、铁磁层、石墨烯层和电流注入层为同一几何中心，所述基底层、复合材料层、铁磁层、石墨烯层和电流注入层均为圆盘结构；所述基底层、复合材料层、铁磁层和石墨烯层的半径为100nm，所述电流注入层的半径为10nm，所述铁磁层的厚度为0.4nm，所述基底层为氧化镁绝缘基底，所述复合材料层为铁磁与重金属层，所述重金属层为一层Pt，所述铁磁和重金属作用产生稳定磁性斯格明子所需的DMI值，所述石墨烯层与铁磁层作用形成可调控DMI值和PMA值，DM相互作用使得相邻磁矩相互垂直排列，DMI的存在打破了自旋体系的空间反演对称性，例如通过不同厚度的重金属，由不同强度的自旋轨道耦合作用产生不同DM相互作用，石墨烯与铁磁层之间由于不同强度的Rashba效应会获得不同的DMI值，同时提高垂直磁晶各项异性；
步骤二：产生斯格明子
根据步骤一，磁性多层膜结构构建完成后在电流注入层注入自旋极化电流，注入时间为0.5ns，并调节石墨烯层与铁磁层之间的PMA值以及铁磁层和复合材料层的DMI值，最后产生斯格明子；所述电流注入层注入自旋极化电流后，铁磁与重金属由于巨自旋轨道耦合作用提供DM相互作用，在注入自旋极化电流后，产生斯格明子；与Co/CoPt结构中磁结构的成核不同，为核与圆盘中心不在同一位置的涡旋态。石墨烯的加入使该磁性双层膜中能成功的产生斯格明子，所述电流注入层注入自旋极化电流后，石墨烯的作用导致石墨烯层和铁磁层之间产生DMI值并增加PMA值，通过电流注入层注入自旋极化电流后成功产生斯格明子。
实施例二
参见图1，所述磁结构包括电流注入层、石墨烯层、铁磁层、铁磁与重金属复合层(复合材料取钴和铂)以及基底层，在电流的作用下，斯格明子在磁性纳米圆盘中心产生，铁磁与重金属作用产生稳定磁性斯格明子所需的DM(Dzyaloshinskii-Moriya)相互作用值，简称DMI值；通过交换耦合作用，铁磁与重金属复合层上耦合一层铁磁层；石墨烯层与铁磁层作用，形成可调控DMI值和PMA(perpendicular magnetic anisotropy，垂直磁晶各向异性)值,磁结构底部为绝缘基底，选用氧化镁基底，整个磁结构形成多层膜圆盘模型。
通过调节石墨烯层与铁磁层之间的DMI值和PMA值，以及复合材料层的DMI值以实现磁结构中斯格明子的产生，通过在电流注入层注入自旋极化电流产生斯格明子，电流注入时间为0.5ns,弛豫时间足够长。
铁磁与重金属由于巨自旋轨道耦合作用，提供DM相互作用；铁磁层与石墨烯也会引起一个DMI值；两种DMI都属于界面效应，但是它们的自旋轨道耦合能源的位置不同；在重金属钴/铂结构中，DMI在界面铁磁层钴层最大，而其巨自旋轨道耦合能量来自重金属Pt层；但在石墨烯/铁磁层中，最大的巨自旋轨道耦合能量和DMI来源于最近邻的铁磁层；DMI值对斯格明子的产生起着很大作用，DMI值是一个具有多种影响因素的可控参数；而石墨烯的加入，导致石墨烯/铁磁层的PMA值增加，即能在该结构中成功地产生斯格明子。
由于交换耦合作用，上下两层磁矩结构相同；由于饱和磁化的差异，磁矩大小不同；该结构产生的斯格明子,随着DMI值增加，斯格明子半径也增加，并出现2π斯格明子,其内核也随DMI而增加。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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