洛伦兹电镜对斯格明子三维磁结构的重构与表征

Magnetic skyrmions have the potential application in high-density storage disk and stand in the center of magnetic material development. There are two important skyrmions, bubble skyrmions which result from the anisotropy property of materials and DM skyrmmions which are generated by DM interaction existing in some non-centrosymmetry magnetic materials. The magnetization configure of these two skyrmions is different owing to their mechanisms. However, the characterization techniques cannot distinguish that difference even with high spatial resolution now because Lorenz transmission electron microscope (LTEM) only invests the 2D projection of the 3D magnetic induction. The surface or interface of the sample also induces distortion in magnetic configuration that confuses the features in LTEM and hiders the accurate recognization of magnetic structure. Here, tomography technique combined with LTEM is proposed to reconstruct the 3D magnetic configuration of skyrmions in real space. Several typical skyrmions in NiMnGa, MnSi and Co/Pt multilayers will be characterized to explore the forming mechanism and the influence of shape or surface/interface.

磁性斯格明子在高密度磁存储领域具有重要的应用前景，是当前磁性材料的重点研究方向。目前的研究表明，磁各向异性和DM相互作用都可以形成磁性斯格明子。由于物理机制不同，这两类斯格明子内部的磁结构略有差异。但是现有的高空间分辨率表征技术无法揭示这两种斯格明子内部磁结构的区别。而且由于表、界面的存在，薄膜材料内的斯格明子磁结构在表面会出现畸变。这种畸变同体内的磁结构叠加起来，导致洛伦兹显微镜观察到的图案有可能无法反映出样品中真实的磁矩分布。本项目旨在利用三维重构技术在实空间研究磁性斯格明子中磁结构的三维分布情况，针对NiMnGa、MnSi与Co/Pd多层膜，观察几种典型斯格明子中磁矩的分布与物理机制之间的关系，分析样品几何性质与表、界面边界对实际的磁结构的影响，推动对斯格明子形成机制的深入研究。

了解磁性斯格明子的三维磁结构不仅可以准确地获取其内部不同区域的磁矩取向和手性特征，还有助于掌握斯格明子的形成以及动力学演变规律。磁性斯格明子的物理尺度在一两百纳米的量级，因此洛伦兹电镜成为观察磁性斯格明子的重要手段。然而通常情况下电镜只能看到二维投影，难以获取磁性斯格明子的三维磁结构。这大大限制了对磁性斯格明子特性的研究。通过拍摄不同倾转角度下样品的图像，透射电镜的三维重构技术能够恢复样品内部磁结构的三维分布状况，从而揭示斯格明子中的磁矩分布。本项目利用矢量场的三维重构方法，揭示了MnNiGa中不同斯格明子的三维磁结构，从而准确地判定了每个斯格明子的手性，还发现MnNiGa中的斯格明子可以容易地改变它的手性，但是保持极性不变。另外，根据斯格明子的磁结构特点，提出了依靠某一面内磁矩分量的分布即可判定斯格明子手性的方法，简化了实验步骤。本项目还研究了MnCoSi材料中的螺旋反铁磁结构随温度的演变过程，发现在低温下磁结构从标准的螺旋结构变成了摆线结构，同时磁结构的周期变短。同时还发现MnCoSi中存在一种新的磁畴壁，并通过三维重构方法获得了这种新畴壁的三维磁矩分布状况，指出其与传统“十字壁”的差异。本项目研究成果，一方面准确地获取了几种斯格明子的手性和动力学转变过程，另一方面也提升了洛伦兹电镜对微观磁结构的分析表征能力。