铁磁性纳米环的制备、磁性和输运性质研究

近年来由于铁磁性纳米环在磁随机存储器、磁逻辑元件、磁传感器等磁电子学器件方面的巨大应用潜力而受到广泛的关注，铁磁性纳米环自旋分布状态可在外磁场或外电流作用下在磁涡旋态和磁双畴态之间转变，或在两种不同旋转方向的涡旋态之间变化，此时会伴随着磁输运性质的变化，实现巨磁电阻效应和隧道磁电阻效应，具有重要的应用价值。系统深入地了解铁磁性纳米环的制备过程、在外磁场下的磁状态变化以及磁输运过程将是非常重要的基础研究课题，在本课题中，我们将重点研究由纳米球模板法制备的铁磁金属纳米环，研究单个和多层纳米环结构中磁畴在外场中的变化过程，了解磁电阻产生的具体机制，为将来的应用提供有价值的参考数据。

对照预定的目标，多数任务已完成，如纳米环的制备方法、纳米环的磁化翻转过程以及磁输运的测试等，也留有遗憾，就是关于磁电阻的解释还需要进一步的实验和理论计算来验证，后续的工作力争在短期内有实质性进展。受本基金的资助，取得的主要进展如下：.1. 铁磁性纳米环的制备：聚苯乙烯微球模板法(PS微球模板法)和纳米压印技术(nanoimprint lithography)两种方法，分别制备了NiFe、CoFe、Co、Fe、Fe3O4等多种不同材料纳米环结构，纳米环密度高达10^8-10^9 cm-2, 可直接用于宏观量测量（如磁化强度等）和微观测试，取得了很好的效果。另外，我们还采用电子束曝光的方法制备少量的磁性纳米环供输运性质分析测试使用。.2. 通过XRD、SEM、AFM确定纳米环的结构，微球模板法制备的纳米环密度高，分散性较好，但也有一定比例的纳米环交叠在一起；纳米压印技术制备的纳米环成正方点阵排列，无纳米环相互交叠，但由于脱胶过程，少量纳米环会出现裂痕或破损，部分纳米环完整性反而没有微球模板法制备的好。.3. 通过实验测量并采用微磁计算进行模拟，得到了纳米环磁化翻转的细致过程，其效果超过了目前实验手段所能达到的测量精度，如采用MFM无法观察到纳米环内部磁畴运动的细节。系统地分析了各种不同材料制备的纳米环中的磁化翻转细节以及对称性不同的纳米环与完全对称的纳米环之间的差别，进一步的，了解了纳米环上有缺陷时，畴壁的运动规律。.4. 测量到纳米环在磁化翻转过程中，如由双畴态向涡旋态或反之由涡旋态向双畴态转变中，磁电阻有高达10%以上的巨大变化。我们给出了初步的实验解释，认为由于自旋蓄积，导致传导电子密度发生变化，从而在两种不同的磁状态时表现出不同的输运特性；但该解释还需要进一步的实验验证和理论模拟结果的印证，因为电子束曝光的实验需要借助其他实验室的条件，进展比预计稍慢，工作还在继续中。