一种Fe3Sn2材料的用途及其制备方法与流程

本发明涉及一种fe3sn2磁性材料的用途及其制备方法。

背景技术：

磁性斯格明子(magneticskyrmions)是一类全新的具有涡旋状自旋的磁畴结构，其具有(1)极小的尺寸(10～100nm)；(2)拓扑保护性(不受杂质等干扰)；(3)低临界磁畴翻转电流密度(＜10⁶a/m²)等特点。将它应用于磁存储领域可以有效的解决制约目前磁存储器件发展的问题(顺磁物理极限、挥发性和焦耳热等问题)，因此极有希望应用于高密度和低能耗的磁存储及自旋转移矩等新一代自旋电子学器件。

磁性斯格明子多发现于具有非中心对称结构的手性材料中，例如具有b20结构的金属螺旋磁体(mnsi、fecosi、fege、mnge)、多铁材料cu2oseo3以及mn-zn铁氧体，在这些材料中dzyaloshinskii-moriya(dm)相互作用与海森堡直接交换作用竞争导致了斯格明子的产生。但是，这类材料的居里温度较低(斯格明子出现在居里温度附近及以下)同时磁性斯格明子成相温区较窄(目前块体中的斯格明子一般只存在于居里温度附近的几k范围内)，因此严重阻碍了现有磁性斯格明子材料在磁存储器件中的应用。另外，由于dzyaloshinskii-moriya相互作用限制了斯格明子螺旋和涡旋自由度，这使斯格明子只具有单一的拓扑结构，限制了斯格明子拓扑结构的多样化研究。

技术实现要素：

因此，本发明的目的在于克服上述现有材料和技术的缺陷，提供fe3sn2材料作为磁存储材料的用途。

根据本发明的fe3sn2材料的用途，优选地，所述fe3sn2材料用于磁存储器。

根据本发明的fe3sn2材料的用途，优选地，所述fe3sn2材料用于室温磁存储器。

根据本发明的fe3sn2材料的用途，优选地，所述fe3sn2材料用于赛道型磁存储器。

根据本发明的fe3sn2材料的用途，优选地，所述fe3sn2材料采用如下步骤制备：

步骤一：按fe：sn＝1：19的比例，分别称量纯度为99.95％的fe、sn金属原料；

步骤二：将称好的fe、sn金属原料放入氧化铝坩埚中，然后将所述氧化铝坩埚密封在钽容器中。

步骤三：在所述钽容器外部加封石英管，并转移到电阻炉中进行材料生长。

根据本发明的fe3sn2材料的用途，优选地，所述钽容器包括一端封口的钽管和钽盖。

本发明还提供了一种磁存储器，包括由fe3sn2材料构成的磁存储介质。

根据本发明的磁存储器，优选地，还包括用于给所述磁存储介质外加磁场的磁场源和用于控制所述磁场源的控制器。

本发明还提供了一种fe3sn2材料的制备方法，包括如下步骤：

步骤一：按fe：sn＝1：19的比例，分别称量纯度为99.95％的fe、sn金属原料；

步骤二：将称好的fe、sn金属原料放入氧化铝坩埚中，然后将所述氧化铝坩埚密封在钽容器中。

步骤三：在所述钽容器外部加封石英管，并转移到电阻炉中进行材料生长。

根据fe3sn2材料的制备方法，优选地，所述钽容器包括一端封口的钽管和钽盖。

根据fe3sn2材料的制备方法，优选地，将氧化铝坩埚密封在钽容器中包括将氧化铝坩埚装入一端封口的钽管中，然后加盖钽盖。

本发明通过实验研究发现，fe3sn2材料具有多种拓扑态磁性斯格明子纳米磁畴结构，能够应用于多态磁存储。另外，采用本发明的方法制备的fe3sn2材料的尺寸较大，质量较高，更有利于其在磁存储领域的应用。

附图说明

以下参照附图对本发明实施例作进一步详细说明，其中：

图1示出根据本发明实施例的fe3sn2材料生长过程中温度随时间的变化关系；

图2为根据本发明实施例制备的fe3sn2单晶块体样品的视图；

图3示出根据本发明实施例制备的fe3sn2样品的热磁曲线；

图4示出根据本发明实施例制备的fe3sn2样品的室温电阻随磁场变化的曲线；

图5示出根据本发明实施例制备的fe3sn2样品的室温交流磁化率随磁场变化的曲线；

图6示出利用洛伦兹电镜观察到的根据本发明实施例制备的fe3sn2样品在室温磁畴结构随磁场的变化；

图7示出利用洛伦兹电镜观察到的根据本发明实施例制备的fe3sn2样品在室温经饱和磁化降到零场后的洛伦兹电镜磁畴结构；以及

图8示出利用洛伦兹电镜观察到的根据本发明实施例制备的fe3sn2样品在室温经未饱和磁化降到零场后的洛伦兹电镜磁畴结构。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的实施例制备组份为fe3sn2的具有室温斯格明子纳米磁畴结构的磁性合金单晶。采用高温sn助溶剂方法，制备高质量fe3sn2单晶，具体步骤如下：

(1)按fe：sn＝1：19的比例，分别称量纯度为99.95％的fe、sn金属原料；

(2)将称好的原料放入氧化铝坩埚中，然后将装有原料的氧化铝坩埚外面加套一端封口的钽管，另一端加盖钽盖。然后将这一套装管转移到真空电弧炉中，在炉腔真空度达到1×10^-4pa以下时，通入0.1mpa氩气，用电弧将钽盖与钽管封装为一体，整个封装过程采用氩气保护，封装电流30a。

(3)将封装好的钽管外部加封石英管，最后转移到电阻炉中进行材料生长。具体生长条件为：首先，15小时升到1150℃，保温72小时后6小时降到910℃，然后140小时降到800℃。然后将石英管转移到离心机中进行离心处理，使助溶剂与单晶样品分离，从而获得尺寸约0.7mm*0.8mm*0.4mm的fe3sn2单晶块体样品。图1示出该实施例的fe3sn2材料生长过程中温度随时间的变化关系。图2为根据本发明的实施例制备的fe3sn2单晶块体样品的视图。

在本发明的该实施例中，氧化铝坩埚外面加套一端封口的钽管，并加盖钽盖，实现了氧化铝坩埚与外界的隔离，增加了所制备的fe3sn2单晶块体样品的尺寸，提高了样品质量。根据其他实施例，也可以采用本领域公知的任意其他方式实现氧化铝坩埚与外界的隔离。

根据室温单晶x射线衍射，可确定样品在室温为菱方结构(空间群r-3m)，晶格参数为

图3示出根据本发明实施例制备的fe3sn2样品的热磁曲线，通过热磁曲线可以确定其居里温度为大约650k。fe3sn2材料在650k以上为顺磁态，而在650k以下为铁磁态。在650k以下，fe3sn2材料的磁易轴逐渐由c方向转向ab面。

另外，通过室温磁性和输运测量，获得本发明实施例制备的fe3sn2样品的各种磁、输运特性曲线。图4是fe3sn2样品的室温电阻随磁场变化的曲线，可以看出，随外加磁场的增加，电阻出现规律性的上升和下降，这说明样品的微观磁筹结构发生了变化。图5是fe3sn2样品的室温交流磁化率随磁场变化的曲线。与图3相对应，随着外加磁场的增加，样品的交流磁化率出现规律性的上升和下降。磁电阻和交流磁化率测量说明样品的微观磁筹结构发生了变化，预示磁性斯格明子的形成。

本发明人通过洛伦兹电镜观察fe3sn2样品的微观磁畴结构。

图6是利用洛伦兹电镜观察到的fe3sn2样品在室温磁畴结构随磁场的变化。图6的(a)是在没有外加磁场情况，样品磁畴形态。在没有外加磁场时，样品自发出现条状畴，其周期约为200nm。随着外加场的增加，与外场方向平行的磁畴区域增大，反向的磁畴宽度减小。如图6的(b)，宽度减小较快的条状畴从中间断开，形成局部条状畴，如图6的(b)所示的的磁泡。当外加场达到850mt时，如图6的(c)，条状畴完全变成了磁性斯格明子结构，尺寸为100-200nm左右。当磁场达到900mt，如图6的(d)，其纳米磁畴斯格明子结构完全消失，变成完全饱和的铁磁态。

图7是利用洛伦兹电镜观察到的fe3sn2样品在室温经饱和磁化降到零场后的洛伦兹电镜磁畴结构。这个过程和图6是相反的，从图7的(a)的饱和铁磁态，随着磁场的减小，逐渐出现磁性斯格明子，最后演化成条状畴。这说明说明fe3sn2样品的磁畴状态变化和磁性斯格明子磁畴结构的可逆性和重复性。

图8是利用洛伦兹电镜观察到的fe3sn2样品在室温经未饱和磁化降到零场后的洛伦兹电镜磁畴结构。与饱和情况回到零场相比较，在这种情况下，在外加磁场没有饱和的时候，磁性斯格明子纳米畴结构可以在零场稳定存在，这就说明，我们可以通过外加磁场的强弱，来调控磁性斯格明子的形态和稳定性，为其实际应用提供了多种选择。

通过图6-8的磁筹变换过程可以看出，在室温条件下，磁性斯格明子fe3sn2材料的磁筹状态变化和磁筹结构具有可逆性和重复性，并且能够通过外加磁场来调控磁性斯格明子的形态和稳定性，这说明fe3sn2材料具有多拓扑态磁性斯格明子纳米磁畴结构，能够应用于多态磁存储。有望突破现有材料斯格明子形成温度低不能应用于室温磁存储器件的瓶颈，为高密度磁存储器件的发展提供了新的材料选择。

相比目前磁存储材料的磁畴在纳米尺寸就无法稳定存在的问题，这种室温多变拓扑纳米磁畴fe3sn2材料，不仅可以达到提高存储密度和降低能耗的目的，而且由于其多变的拓扑结构，在经历不同外界刺激环境下，具有存储信息不丢失的特点。

目前磁存储主要是普通铁磁材料磁畴，为了提高磁存储密度，需要进一步减小磁畴尺寸。但由于磁畴小到纳米量级的时候，表现出顺磁，而失去了存储功能。而磁性斯格明子纳米磁畴就克服了这个问题，可以减小到甚至10nm，因此是未来磁信息存储的候选材料。

本发明制备的fe3sn2材料与调控其磁性斯格明子的外加磁场源结合，就可以实现信息的存储，用于磁存储器，例如赛道型磁存储器(racetrackmemory)。

根据本发明的其他实施例，采用本领域公知的任意其他方法制备的fe3sn2材料都具有图6-8类似的性质，可以用作磁存储材料。

根据本发明的其他实施例，还提供了一种磁存储器，其包括由fe3sn2材料构成的磁存储介质。另外，还包括用于给磁存储介质外加磁场的磁场源和用于控制磁场源的控制器。

虽然本发明已经通过优选实施例进行了描述，然而本发明并非局限于这里所描述的实施例，在不脱离本发明范围的情况下还包括所作出的各种改变以及变化。