《物理学报》：磁性材料的磁结构、磁畴结构和拓扑磁结构（中国科学院金属研究所：张志东）

物理学报ActaPhys.Sin.Vol.64,No.6(2015)067503综述磁性材料的磁结构、磁畴结构和拓扑磁结构张志东（中国科学院金属研究所，沈阳材料科学国家（联合）实验室，沈阳110016)（2015年1月26日收到；2015年2月11日收到修改稿）首先简要地介绍了磁性材料中磁结构、磁畴结构和拓扑磁结构以及相互之间的关系。一方面，磁畴结构由材料的磁结构、内磁性和微结构因素决定：另一方面，磁畴结构决定了材料磁化和退磁化过程以及技术磁性。拓扑学与材料物理、材料性能的联系越来越紧密，最近的研究兴趣集中在一些拓扑磁性组态，如涡旋、磁泡、麦纫、斯格米子等、研究发现这些拓扑磁结构的拓扑性质与磁性能密切相关、然后从尺寸效应、缺陷、晶界三个方面介绍国际学术界在磁结构、磁畴结构和拓扑磁结构方面的进展，最后介绍了在稀永磁薄膜材料的微观结构、磁畴结构和磁性能关系、交换耦合纳米盘中的拓扑磁结构及其动力学行为方面的工作。通过对文献的评述，得到以下结论：开展各向异性纳米复合稀土永磁材料的研究对更好地利用稀土资源具有重要的意义可以有目的地改变材料的微结构，可控地进行磁性材料的磁畴工程，最终获得优秀的磁性能拓扑学的概念正在应用于越来越多的学科领域，在越来越多的材料中发现拓扑学的贡献.研究磁畴结构、拓扑磁性基态或者激发态的形成规律以及动力学行为对理解量子拓扑相变以及其他与拓扑相关的物理效应是十分重要的.也会帮助理解不同拓扑学态之间相互作用的物理机制及其与磁性能之间的关系，同时拓展拓扑学在新型磁性材料中的应用.关键词：磁结构，磁畴结构，拓扑磁结构，磁性能PACS:75.60.Ch,75.70.-i,75.70.Kw,75.78.FgDOI:10.7498/aps.64.067503的磁性与不同的晶体结构可以组合成丰富多彩的磁结构.另一方面，技术磁性能包括剩余磁化强度、1引言矫顽力、最大磁能积、温度系数等.这些技术磁性能磁性材料（包括永磁、软磁、磁致伸缩、磁记录不但由材料的内票磁性控制，还与材料的微观结构等)在许多领域有广泛的应用.提高各类磁性材料密切相关.实际上，材料的尺寸、形状，晶粒大小、的性能一直是广大科技工作者努力的目标，众所周晶界、缺陷以及第二相等均会影响材料的磁性能知，磁性材料的磁性分内烹磁性和技术磁性能.内20世纪一系列突破性的科学成果（特别是量子磁性包括居里温度、饱和磁化强度、磁晶各向异力学的创立）促进了人们对自然的认识，也促进了性等，分别对应于磁性相互作用、自旋磁矩、晶体场人们对磁性起源的理解，对自发磁化的量子力学理等内票性质，主要由材料的晶体结构、磁结构、成分解和磁畴结构的发现被公认为20世纪磁学领域的两大重要进展量子力学的理论研究将人们对微等决定，磁结构与材料的晶体结构密切相关其对观磁性（包括电子自旋、各类交换作用等）的认识提称性可以与晶体结构相同，但绝大多数情况下磁有序会附加新的磁对称性.磁结构由晶体结构以及磁高到一个非常高的高度。但是，磁畴结构非常复杂，性相互作用、自旋磁矩共同决定、铁磁性、反铁磁不但由材料的内磁性控制，还受到微观结构和缺性、亚铁磁性、螺旋磁性、自旋玻璃、顺磁性等不同陷等因素的影响.尽管人们对磁畴结构已经有许多*国家自然科学基金（批准号：51331006)资助的课题.+通信作者.E-mail:zdzhang@imr.ac.cn2015中国物理学会ChinesePhysicalSocietyhttp://wuliab.iphy.ac.cn067503-1

物 理 学 报 Acta Phys. Sin. Vol. 64, No. 6 (2015) 067503 综 述 磁性材料的磁结构、磁畴结构和拓扑磁结构∗ 张志东† (中国科学院金属研究所, 沈阳材料科学国家 (联合) 实验室, 沈阳 110016) ( 2015 年 1 月 26 日收到; 2015 年 2 月 11 日收到修改稿 ) 首先简要地介绍了磁性材料中磁结构、磁畴结构和拓扑磁结构以及相互之间的关系. 一方面, 磁畴结构 由材料的磁结构、内禀磁性和微结构因素决定; 另一方面, 磁畴结构决定了材料磁化和退磁化过程以及技术磁 性. 拓扑学与材料物理、材料性能的联系越来越紧密. 最近的研究兴趣集中在一些拓扑磁性组态, 如涡旋、磁 泡、麦纫、斯格米子等. 研究发现这些拓扑磁结构的拓扑性质与磁性能密切相关. 然后从尺寸效应、缺陷、晶界 三个方面介绍国际学术界在磁结构、磁畴结构和拓扑磁结构方面的进展. 最后介绍了在稀土永磁薄膜材料的 微观结构、磁畴结构和磁性能关系、交换耦合纳米盘中的拓扑磁结构及其动力学行为方面的工作. 通过对文献 的评述, 得到以下结论: 开展各向异性纳米复合稀土永磁材料的研究对更好地利用稀土资源具有重要的意义. 可以有目的地改变材料的微结构, 可控地进行磁性材料的磁畴工程, 最终获得优秀的磁性能. 拓扑学的概念 正在应用于越来越多的学科领域, 在越来越多的材料中发现拓扑学的贡献. 研究磁畴结构、拓扑磁性基态或者 激发态的形成规律以及动力学行为对理解量子拓扑相变以及其他与拓扑相关的物理效应是十分重要的. 也会 帮助理解不同拓扑学态之间相互作用的物理机制及其与磁性能之间的关系, 同时拓展拓扑学在新型磁性材料 中的应用. 关键词: 磁结构, 磁畴结构, 拓扑磁结构, 磁性能 PACS: 75.60.Ch, 75.70.–i, 75.70.Kw, 75.78.Fg DOI: 10.7498/aps.64.067503 1 引 言 磁性材料(包括永磁、软磁、磁致伸缩、磁记录 等)在许多领域有广泛的应用. 提高各类磁性材料 的性能一直是广大科技工作者努力的目标. 众所周 知, 磁性材料的磁性分内禀磁性和技术磁性能. 内 禀磁性包括居里温度、饱和磁化强度、磁晶各向异 性等, 分别对应于磁性相互作用、自旋磁矩、晶体场 等内禀性质, 主要由材料的晶体结构、磁结构、成分 等决定. 磁结构与材料的晶体结构密切相关, 其对 称性可以与晶体结构相同, 但绝大多数情况下磁有 序会附加新的磁对称性. 磁结构由晶体结构以及磁 性相互作用、自旋磁矩共同决定. 铁磁性、反铁磁 性、亚铁磁性、螺旋磁性、自旋玻璃、顺磁性等不同 的磁性与不同的晶体结构可以组合成丰富多彩的 磁结构. 另一方面, 技术磁性能包括剩余磁化强度、 矫顽力、最大磁能积、温度系数等. 这些技术磁性能 不但由材料的内禀磁性控制, 还与材料的微观结构 密切相关. 实际上, 材料的尺寸、形状, 晶粒大小、 晶界、缺陷以及第二相等均会影响材料的磁性能. 20世纪一系列突破性的科学成果(特别是量子 力学的创立)促进了人们对自然的认识, 也促进了 人们对磁性起源的理解. 对自发磁化的量子力学理 解和磁畴结构的发现被公认为20世纪磁学领域的 两大重要进展. 量子力学的理论研究将人们对微 观磁性(包括电子自旋、各类交换作用等)的认识提 高到一个非常高的高度. 但是, 磁畴结构非常复杂, 不但由材料的内禀磁性控制, 还受到微观结构和缺 陷等因素的影响. 尽管人们对磁畴结构已经有许多 ∗ 国家自然科学基金 (批准号: 51331006) 资助的课题. † 通信作者. E-mail: zdzhang@imr.ac.cn © 2015 中国物理学会 Chinese Physical Society http://wulixb.iphy.ac.cn 067503-1

物理学报ActaPhys.Sin.Vol.64,No.6(2015）067503系统的研究，但远远没有达到深入理解的程度，对单极子等。在纳米磁性材料中常见的拓扑孤子有磁磁畴结构的理解基本上是在微磁学理论的层次开畴壁、涡旋(vortex）、麦纫(meron）磁泡(bubble)和展工作。对磁结构、磁畴结构和磁性能三者之间的斯格米子（Skyrmion).这些拓扑孤子的出现对于磁关系也缺少系统的认识存储以及自旋电子学的发展很重要涡旋是一种在磁畴结构是铁磁质的基本组成部分。在各磁畴自然界广泛存在的拓扑现象，如台风、星云、螺位错中，原子磁矩的排列各有相互平行的自发倾向，磁等，它也可以是一种拓扑自旋组态，出现在二维易矩方向保持一致。但是各磁畴的排列方向是混乱面铁磁体里：涡旋的自旋绕着一个特定点或者核呈的，所以铁磁体在没有被磁化前不显磁性.磁畴结涡旋态.图1为两种类型的涡旋态，分别为面内和构多种多样，通常有以下几种类型：片形畴、封闭面外涡旋，涡旋作为拓扑态的成员之一，它所携带畴、旋转畴、棋盘畴、柱形畴、蜂窝畴、迷宫畴、楔的拓扑荷为1/2.图2为一个典型的静态涡旋的拓形畴等，在磁畴的边界，磁矩从一个方向连续地过扑密度分布图，可见其拓扑密度分布局限在涡旋中渡到另一个方向，从而有磁畴壁，典型的磁畴壁有心附近布洛赫畴壁、奈尔畴壁等，在外磁场的作用下，不(a)D同方向的磁畴的大小发生变化，以致外磁场方向上的总磁矩随外磁场的增强而增加。所以，磁畴的结K-BS构影响磁化过程和退磁化过程，从而影响材料的磁性能.8=08=1另一方面，拓扑学与代数、几何一样，是一门图1两种类型的涡旋态态(a)，(b)分别为面内和面外涡基础性的学科。拓扑学是近代发展起来的一个研旋[9]究连续性现象的数学分支，主要研究拓扑空间在拓扑变换下的不变性质和不变量．最近的研究显q/103 nm2示，拓扑学与材料物理、材料性能的联系越来越紧-3密可以说，拓扑学的概念正在应用于越来越多的-6-9学科领域：在越来越多的材料中发现拓扑学的贡12献特别是，量子力学中波函数的拓扑相因子与许1518多著名的物理现象相联系．例如：Aharonov-Bohm-21效应、Berry相效应[2]、Josephson效应[3]、量子-24霍尔效应[4-6]、deHaas-vanAlphen效应[7]等均与拓扑学密切相关，所以，拓扑学也发展成为联系许图2静态涡旋的拓扑密度分布图9多学科方向的纽带，促进了学科交叉和各学科的发麦纫(meron)最初由DeAlfaro等[10]提出，作展.最近，在磁性材料中的自旋拓扑结构（包括涡为Yang-Mills方程的一个经典解.麦纫在粒子物旋（vortex），斯格米子（Skyrmion），麦纫（meron）等理中用来描述夸克禁闭因此麦纫只能以配对形组态），特别是斯格米子（Skyrmion）态近期引起学式存在，不能单独存在．Phatak等[1]在坡莫合术界的广泛关注：通过对自旋组态以及（磁性或铁金/Cr/坡莫合金的磁性纳米盘中观测到了麦纫对，电)磁畴的观察分析自旋组态以及磁畴结构的拓扑Wintz等[12]也在Co/Rh/NiFe的纳米盘中观察到学因素[8]，深入研究磁性材料的拓扑磁结构与磁性了麦纫态，麦纫是另一类拓扑保护态，与涡旋类似，能的关系，不但可以深入理解拓扑结构对材料物理麦纫也有核，其核中心自旋向上或者向下(方向)：性质的贡献，还可以通过调控材料的拓扑结构来改而远离核的位置，自旋在ry面内沿着径向方向分进材料的磁性，并在深层次理解拓扑结构的贡献布（向外或向里）；在中间的过渡区，自旋由之方向孤子是一个波包，在自然界广泛存在．当它通过一个非线性色散介质时，它的形状和速度不会发逐渐转向面内.麦纫的自旋分布图如图3所示.麦生改变．从数学上说，孤子是非线性偏微分方程的纫的拓扑荷为土1/2，正负与核的极性有关：图4为解，比如Landau-Lifshitz方程、Yang-Mills方程等一个典型的静态麦纫的拓扑密度分布图，可见麦纫拓扑孤子有晶体中的螺位错、铁磁体中的畴壁、磁的拓扑密度分布也局域在其中心附近067503-2

物 理 学 报 Acta Phys. Sin. Vol. 64, No. 6 (2015) 067503 系统的研究, 但远远没有达到深入理解的程度. 对 磁畴结构的理解基本上是在微磁学理论的层次开 展工作. 对磁结构、磁畴结构和磁性能三者之间的 关系也缺少系统的认识. 磁畴结构是铁磁质的基本组成部分. 在各磁畴 中, 原子磁矩的排列各有相互平行的自发倾向, 磁 矩方向保持一致. 但是各磁畴的排列方向是混乱 的, 所以铁磁体在没有被磁化前不显磁性. 磁畴结 构多种多样, 通常有以下几种类型: 片形畴、封闭 畴、旋转畴、棋盘畴、柱形畴、蜂窝畴、迷宫畴、楔 形畴等. 在磁畴的边界, 磁矩从一个方向连续地过 渡到另一个方向, 从而有磁畴壁. 典型的磁畴壁有 布洛赫畴壁、奈尔畴壁等. 在外磁场的作用下, 不 同方向的磁畴的大小发生变化, 以致外磁场方向上 的总磁矩随外磁场的增强而增加. 所以, 磁畴的结 构影响磁化过程和退磁化过程, 从而影响材料的磁 性能. 另一方面, 拓扑学与代数、几何一样, 是一门 基础性的学科. 拓扑学是近代发展起来的一个研 究连续性现象的数学分支, 主要研究拓扑空间在 拓扑变换下的不变性质和不变量. 最近的研究显 示, 拓扑学与材料物理、材料性能的联系越来越紧 密. 可以说, 拓扑学的概念正在应用于越来越多的 学科领域. 在越来越多的材料中发现拓扑学的贡 献. 特别是, 量子力学中波函数的拓扑相因子与许 多著名的物理现象相联系. 例如: Aharonov-Bohm 效应 [1]、Berry相效应 [2]、Josephson 效应 [3]、量子 霍尔效应 [4−6]、de Haas-van Alphen效应 [7] 等均与 拓扑学密切相关. 所以, 拓扑学也发展成为联系许 多学科方向的纽带, 促进了学科交叉和各学科的发 展. 最近, 在磁性材料中的自旋拓扑结构(包括涡 旋(vortex), 斯格米子(Skyrmion), 麦纫(meron)等 组态), 特别是斯格米子(Skyrmion) 态近期引起学 术界的广泛关注. 通过对自旋组态以及(磁性或铁 电)磁畴的观察分析自旋组态以及磁畴结构的拓扑 学因素 [8] . 深入研究磁性材料的拓扑磁结构与磁性 能的关系, 不但可以深入理解拓扑结构对材料物理 性质的贡献, 还可以通过调控材料的拓扑结构来改 进材料的磁性, 并在深层次理解拓扑结构的贡献. 孤子是一个波包, 在自然界广泛存在. 当它通 过一个非线性色散介质时, 它的形状和速度不会发 生改变. 从数学上说, 孤子是非线性偏微分方程的 解, 比如Landau-Lifshitz方程、Yang-Mills方程等. 拓扑孤子有晶体中的螺位错、铁磁体中的畴壁、磁 单极子等. 在纳米磁性材料中常见的拓扑孤子有磁 畴壁、涡旋(vortex)、麦纫(meron)、磁泡(bubble)和 斯格米子(Skyrmion). 这些拓扑孤子的出现对于磁 存储以及自旋电子学的发展很重要. 涡旋是一种在 自然界广泛存在的拓扑现象, 如台风、星云、螺位错 等. 它也可以是一种拓扑自旋组态, 出现在二维易 面铁磁体里. 涡旋的自旋绕着一个特定点或者核呈 涡旋态. 图 1为两种类型的涡旋态, 分别为面内和 面外涡旋. 涡旋作为拓扑态的成员之一, 它所携带 的拓扑荷为1/2. 图 2为一个典型的静态涡旋的拓 扑密度分布图, 可见其拓扑密度分布局限在涡旋中 心附近. δ=1 (a) δ=0 (b) 图 1 两种类型的涡旋态 (a), (b) 分别为面内和面外涡 旋 [9] -24 -21 -18 -15 -12 -9 -6 -3 0 q/10-3 nm-2 图 2 静态涡旋的拓扑密度分布图 [9] 麦纫(meron)最初由De Alfaro等 [10] 提出, 作 为Yang-Mills方程的一个经典解. 麦纫在粒子物 理中用来描述夸克禁闭, 因此麦纫只能以配对形 式存在, 不能单独存在. Phatak 等[11] 在坡莫合 金/Cr/坡莫合金的磁性纳米盘中观测到了麦纫对. Wintz等 [12] 也在Co/Rh/NiFe 的纳米盘中观察到 了麦纫态. 麦纫是另一类拓扑保护态, 与涡旋类似, 麦纫也有核, 其核中心自旋向上或者向下(z 方向); 而远离核的位置, 自旋在xy 面内沿着径向方向分 布(向外或向里); 在中间的过渡区, 自旋由z 方向 逐渐转向面内. 麦纫的自旋分布图如图 3所示. 麦 纫的拓扑荷为±1/2, 正负与核的极性有关. 图4 为 一个典型的静态麦纫的拓扑密度分布图, 可见麦纫 的拓扑密度分布也局域在其中心附近. 067503-2

物理学报ActaPhys.Sin.Vol.64,No.6(2015)067503子[17]图7展示的是一个刺猬球投影成一个斯格米子组态.从图8可见斯格米子组态拓扑密度分布是全局性的分布，与其他组态的局域分布不同q/10=3nm-21图3麦纫的两种自旋组态[11,12]0.81.62.4q/10-3nm=23.2-4.00.94.81.85.62.76.43.64.55.4图6拓扑荷为1的磁泡的拓扑密度分布图[9]6.3图4静态麦纫的拓扑密度分布图[9]在20世纪60年代，人们在具有强的垂直各向异性的铁磁性薄膜中观察到了磁泡(Bubble)的存在[13,14]，它的自旋分布如图5所示．其中红色区域和蓝色区域的磁矩垂直于纸面，并且反平行排列从红色到蓝色有一个很窄的过渡区域一畴壁，在畴壁的中心部位，磁矩是躺在面内的。磁泡有两种形态，一种是拓扑荷为1的磁泡，如图5(a)所示，它的畴壁形成一个闭合的圆环；另一种是拓扑荷为0的磁泡，如图5(b)所示，它的畴壁不是一个闭合的图7从一个刺猬球到一个斯格米子组态[17]圆环，在圆环上存在一对布洛赫线图6为拓扑荷为1的磁泡的拓扑密度分布图，可见其拓扑密度分q/10-anm=2布主要局域在畴壁处0.20.40.60.8图8静态斯格米子的拓扑密度分布[9]图5磁泡的自旋分布图【15]（a）拓扑荷为1的磁泡：(b)拓扑荷为0的磁泡磁畴结构处于介观层次，是沟通微观世界和宏斯格米子由TonySkyrme设想出来与重子观世界的桥梁，而拓扑磁结构的研究将磁性材料(baryons)有关的粒子[16]，包括重子与共振态的的性能与物质的拓扑结构相关联.一方面，可以揭叠加.这种称为斯格米子的准粒子是非线性sigma示物质的磁性的本质，从数学、拓扑学的角度分析模型的一个非平庸经典解，是一种拓扑孤立子问题：另一方面，可以与其他物理系统出现的物理人们发现在不同的领域（包括在经典液体、液晶、现象联系，促进物理学不同学科之间的交叉，甚至玻色-爱因斯坦凝聚、量子霍尔磁体）存在斯格米是与其他学科的交叉，有助于从一个统一的角度获067503-3

物 理 学 报 Acta Phys. Sin. Vol. 64, No. 6 (2015) 067503 图 3 麦纫的两种自旋组态 [11,12] q/10-3 nm-2 -6.3 -5.4 -4.5 -3.6 -2.7 -1.8 -0.9 0 图 4 静态麦纫的拓扑密度分布图 [9] 在20世纪60年代, 人们在具有强的垂直各向 异性的铁磁性薄膜中观察到了磁泡(Bubble)的存 在[13,14] , 它的自旋分布如图5所示. 其中红色区域 和蓝色区域的磁矩垂直于纸面, 并且反平行排列. 从红色到蓝色有一个很窄的过渡区域——畴壁, 在 畴壁的中心部位, 磁矩是躺在面内的. 磁泡有两种 形态, 一种是拓扑荷为1的磁泡, 如图5 (a)所示, 它 的畴壁形成一个闭合的圆环; 另一种是拓扑荷为0 的磁泡, 如图5 (b)所示, 它的畴壁不是一个闭合的 圆环, 在圆环上存在一对布洛赫线. 图6 为拓扑荷 为1的磁泡的拓扑密度分布图, 可见其拓扑密度分 布主要局域在畴壁处. (a) (b) 图 5 磁泡的自旋分布图 [15] (a) 拓扑荷为 1 的磁泡; (b) 拓扑荷为 0 的磁泡 斯格米子由Tony Skyrme设想出来与重子 (baryons)有关的粒子 [16] , 包括重子与共振态的 叠加. 这种称为斯格米子的准粒子是非线性sigma 模型的一个非平庸经典解, 是一种拓扑孤立子. 人们发现在不同的领域(包括在经典液体、液晶、 玻色 - 爱因斯坦凝聚、量子霍尔磁体)存在斯格米 子 [17] . 图7 展示的是一个刺猬球投影成一个斯格 米子组态. 从图8 可见斯格米子组态拓扑密度分布 是全局性的分布, 与其他组态的局域分布不同. q/10-3 nm-2 -6.4 -5.6 -4.8 -4.0 -3.2 -2.4 -0.8 -1.6 0 图 6 拓扑荷为 1 的磁泡的拓扑密度分布图 [9] 图 7 从一个刺猬球到一个斯格米子组态 [17] -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 q/10-3 nm-2 0 图 8 静态斯格米子的拓扑密度分布 [9] 磁畴结构处于介观层次, 是沟通微观世界和宏 观世界的桥梁. 而拓扑磁结构的研究将磁性材料 的性能与物质的拓扑结构相关联. 一方面, 可以揭 示物质的磁性的本质, 从数学、拓扑学的角度分析 问题; 另一方面, 可以与其他物理系统出现的物理 现象联系, 促进物理学不同学科之间的交叉, 甚至 是与其他学科的交叉, 有助于从一个统一的角度获 067503-3

物理学报ActaPhys.Sin.Vol.64,No.6(2015）067503得更为基础性的认识，从而促进磁性材料性能的提着tFe的增大，它们开始聚集并形成复杂的拉长的岛状.他们认为在Fe层上形成这种非常小的单元高、本文第2章从尺寸效应、缺陷、晶界（和晶粒）三个方面介绍国际学术界在磁结构、磁畴结构和拓扑的机制是下层FeRh-Ir反铁磁层的精细磁结构决定的，也就是说它的台阶边沿和螺形位错中过多的磁磁结构方面的进展：第3部分简要介绍近年来在稀土永磁薄膜材料的磁畴结构和磁性能、多层膜纳米荷导致的盘中拓扑磁性组态以及动力学和共振激发方面取Bolte等[20]研究了多畴结构对各种厚度的矩得的进展.形坡莫合金微结构的磁电阻的影响可逆和不可逆的磁化反转导致复杂的各向异性磁电阻信号.通过比较各种厚度薄膜的磁输运测量、微磁学模拟和磁2磁结构、磁畴结构和拓扑磁结构力显微镜结果，可以正确地把磁组态间的相变和观2.1尺寸效应察到的磁电阻改变联系起来。Portmann等[21]报道在磁化方向垂直铁薄膜许多研究者研究了尺寸效应对磁畴结构、磁性表面的样品中存在低温时比高温时具有更高对称能之间的关系：研究的对象包括连续薄膜、反点阵性相的逆相变效应.这些薄膜的磁化方向不是均一列、纳米管/线、纳米盘以及多边形等，调控的因素的，而是形成反向垂直磁化的条形畴，从扫描电子包括薄膜厚度、颗粒/晶粒大小、盘直径和形状等因显微镜成像上，Portmann等发现当温度升高，低温素，发现了一系列有趣的物理现象：量子点尺寸影下的条纹畴结构会转变为具有更高对称性的迷宫响反铁磁畴域的尺寸以及削弱反铁磁相钉扎铁磁结构.然而，在更高温度但在磁有序消失前，低对相磁化反转的强度：铁磁/反铁磁双层膜中反铁磁称的条纹畴结构会重新出现.这是第一次报道这种层的精细磁结构决定铁磁层的磁畴结构：薄膜中畴相变顺序和驱动它的微观不稳定性图9显示铁薄的尺寸以及条状畴的宽度随薄膜厚度的平方根而膜表面的磁畴结构随厚度的变化与随温度变化的变化：反点阵膜的磁性能与相同组成的连续薄膜不规律相似，所以可以把铁薄膜的尺寸效应视为有效同：纳米线的磁畴结构和磁化反转与纳米线的宽度温度有关：多边形单元的形状影响涡旋态的形成以及边缘缺陷通过涡旋机制促使磁化翻转：点阵的形状调(a)(b)控涡旋态的共振激发的频率：盘直径和形状影响涡旋、斯格米子等拓扑自旋组态的形成、手性和动力学行为；·..．下面做较为详细的介绍AXLBaltz等[18]发现，相比一个具有相同成分的连1续薄膜，在一个小于100nm的铁磁-反铁磁复合物中变化反铁磁层的厚度会增强或减弱磁滞回线的移动：同时还观察到矫顽力增加和冻结温度下降的（)8G(i)S(m313K268KS现象.这些现象主要归结于物理学上的限制作用包括量子点尺寸影响了反铁磁畴域的尺寸以及削弱了铁磁相磁化反转时被反铁磁相钉扎的强度图9铁薄膜表面的磁畴结构随厚度的变化与随温度变化Kawagoe等[19]用磁力显微镜研究了的规律相似[21]Fe/FeRh(001)交换耦合铁磁/反铁磁双层膜中与Hsieh等[22]用磁力显微镜研究了离子束溅矫顽力机制相关的畴壁结构随铁层厚度tFe的变化规律.磁光磁强计结果显示，在tre=5nm时矫射制备的镍和钻薄膜的畴壁，在高衬底温度下沉积顽场为250Oe，在tFe=20nm时降到80Oe.在的镍薄膜具有布洛赫壁和奈尔壁，在室温生长的薄te>20nm的未退火样品中，磁力显微镜图像显膜上交替分布着具有帽开关的布洛赫线.通过高示微米尺度的磁畴，非常直的畴壁平行或垂直于温退火处理，这些薄膜聚集结晶．由大晶粒所组成铁层的[110]晶体学方向.tFe<20nm时，可看到的薄膜具有更好的成核，从而趋向于形成闭合的磁由200—300nm的小单元构成的细小和混乱的磁畴，然而由小晶粒组成的薄膜具有更多的缺陷，从图案.在tre<4nm时，这些小单元是分离的.随而有利手形成交替的布落赫线，他们也观察到了067503-4

物 理 学 报 Acta Phys. Sin. Vol. 64, No. 6 (2015) 067503 得更为基础性的认识, 从而促进磁性材料性能的提 高. 本文第2章从尺寸效应、缺陷、晶界(和晶粒)三 个方面介绍国际学术界在磁结构、磁畴结构和拓扑 磁结构方面的进展; 第3部分简要介绍近年来在稀 土永磁薄膜材料的磁畴结构和磁性能、多层膜纳米 盘中拓扑磁性组态以及动力学和共振激发方面取 得的进展. 2 磁结构、磁畴结构和拓扑磁结构 2.1 尺寸效应 许多研究者研究了尺寸效应对磁畴结构、磁性 能之间的关系. 研究的对象包括连续薄膜、反点阵 列、纳米管/线、纳米盘以及多边形等, 调控的因素 包括薄膜厚度、颗粒/晶粒大小、盘直径和形状等因 素. 发现了一系列有趣的物理现象: 量子点尺寸影 响反铁磁畴域的尺寸以及削弱反铁磁相钉扎铁磁 相磁化反转的强度; 铁磁/反铁磁双层膜中反铁磁 层的精细磁结构决定铁磁层的磁畴结构; 薄膜中畴 的尺寸以及条状畴的宽度随薄膜厚度的平方根而 变化; 反点阵膜的磁性能与相同组成的连续薄膜不 同; 纳米线的磁畴结构和磁化反转与纳米线的宽度 有关; 多边形单元的形状影响涡旋态的形成以及边 缘缺陷通过涡旋机制促使磁化翻转; 点阵的形状调 控涡旋态的共振激发的频率; 盘直径和形状影响涡 旋、斯格米子等拓扑自旋组态的形成、手性和动力 学行为; · · · · · · 下面做较为详细的介绍. Baltz等[18] 发现, 相比一个具有相同成分的连 续薄膜, 在一个小于100 nm的铁磁- 反铁磁复合物 中变化反铁磁层的厚度会增强或减弱磁滞回线的 移动. 同时还观察到矫顽力增加和冻结温度下降的 现象. 这些现象主要归结于物理学上的限制作用, 包括量子点尺寸影响了反铁磁畴域的尺寸以及削 弱了铁磁相磁化反转时被反铁磁相钉扎的强度. Kawagoe 等[19] 用 磁 力 显 微 镜 研 究 了 Fe/FeRh(001)交换耦合铁磁/反铁磁双层膜中与 矫顽力机制相关的畴壁结构随铁层厚度tFe 的变化 规律. 磁光磁强计结果显示, 在tFe = 5 nm 时矫 顽场为250 Oe, 在tFe = 20 nm时降到80 Oe. 在 tFe > 20 nm 的未退火样品中, 磁力显微镜图像显 示微米尺度的磁畴, 非常直的畴壁平行或垂直于 铁层的[110]晶体学方向. tFe < 20 nm时, 可看到 由200—300 nm的小单元构成的细小和混乱的磁 图案. 在tFe < 4 nm时, 这些小单元是分离的. 随 着tFe 的增大, 它们开始聚集并形成复杂的拉长的 岛状. 他们认为在Fe层上形成这种非常小的单元 的机制是下层FeRh-Ir反铁磁层的精细磁结构决定 的, 也就是说它的台阶边沿和螺形位错中过多的磁 荷导致的. Bolte等 [20] 研究了多畴结构对各种厚度的矩 形坡莫合金微结构的磁电阻的影响. 可逆和不可逆 的磁化反转导致复杂的各向异性磁电阻信号. 通过 比较各种厚度薄膜的磁输运测量、微磁学模拟和磁 力显微镜结果, 可以正确地把磁组态间的相变和观 察到的磁电阻改变联系起来. Portmann等[21] 报道在磁化方向垂直铁薄膜 表面的样品中存在低温时比高温时具有更高对称 性相的逆相变效应. 这些薄膜的磁化方向不是均一 的, 而是形成反向垂直磁化的条形畴. 从扫描电子 显微镜成像上, Portmann等发现当温度升高, 低温 下的条纹畴结构会转变为具有更高对称性的迷宫 结构. 然而, 在更高温度但在磁有序消失前, 低对 称的条纹畴结构会重新出现. 这是第一次报道这种 相变顺序和驱动它的微观不稳定性. 图 9显示铁薄 膜表面的磁畴结构随厚度的变化与随温度变化的 规律相似, 所以可以把铁薄膜的尺寸效应视为有效 温度. (e) (m) (b) (f) (k) (c) (g) (j) (d) (h) (i) (l) (a) 2.1 ML 1.91 ML 1.84 ML 1.73 ML 210 K 268 K 283 K 313 K 图 9 铁薄膜表面的磁畴结构随厚度的变化与随温度变化 的规律相似 [21] Hsieh等[22] 用磁力显微镜研究了氩离子束溅 射制备的镍和钴薄膜的畴壁. 在高衬底温度下沉积 的镍薄膜具有布洛赫壁和奈尔壁. 在室温生长的薄 膜上交替分布着具有帽开关的布洛赫线. 通过高 温退火处理, 这些薄膜聚集结晶. 由大晶粒所组成 的薄膜具有更好的成核, 从而趋向于形成闭合的磁 畴, 然而由小晶粒组成的薄膜具有更多的缺陷, 从 而有利于形成交替的布洛赫线. 他们也观察到了畴 067503-4

物理学报ActaPhys.Sin.Vol.64,No.6(2015）067503壁位移以及帽开关它们的出现是由小晶粒薄膜中了镶嵌在高有序孔状氧化铝基体中的100nm周期的析出粒子引起的.在厚度大于100nm的薄膜中Ni纳米线阵列的磁性行为．从55nm到30nm，降有条状畴出现当在垂直于薄膜表面方向施加一个低纳米线的直径而保持纳米线间距为常数，导致纳1.5T的外场时，条状畴变为锯齿状.实验表明，薄米线的矫顽力从600Oe增加到1200Oe，同时剩磁膜(5—45nm）中畴的尺寸以及厚膜(100—450nm)从30%增加到100%，阵列的畴壁结构显示出类迷中条状畴的宽度都随薄膜厚度的平方根而变化宫式的退磁态，这些结果显示出单畴纳米线的杂散由于几何结构限制对自旋的约束，使得它与磁场相互作用完全依赖于纳米线的直径Escrig等[27]通过理论计算研究了利用原子层体的特征尺度相当，从而引起了对纳采尺度自旋磁点阵的广泛研究兴趣。Chuang等[23]使用嵌段共沉积法生长的外径为50nm的氧化铁纳米管点阵聚物模板方法制备了具有26nm或40nm周期的的磁化反转和畴壁厚度dw之间的关系.研究表明：Co和Co/Cu/NiFe反点阵膜（具有周期性孔阵列)dw<13nm时，磁化反转是由涡流畴壁的运动引反点阵膜的磁性能与相同组成的连续薄膜截然不起的：dw>13nm时，磁化反转是由横向的畴壁移同.孔增加了单层Co薄膜的矫顽力，在多层膜中孔动引起的.纳米管间的静磁相互作用导致阵列的矫导致剩磁处Co层和NiFe层磁矩的反平行排列这顽力的减小，计算结果和近期的实验结果相一致是层间强的静磁相互作用的结果，微磁学模拟证实他们认为，在所研究的长度范围内，磁化反转的涡了这些结果，可以通过薄膜中纳米孔和畴壁之间的流和横向模式之间的过渡是一个普遍的现象，Kirk等[28]采用透射电镜中的磁图像检验亚微相互作用来解释矫顽力趋势Heyderman等[24]对方形格子Co反点阵的磁米单元.制备了大小为100一500nm的方形、圆形、化翻转开展了详细的研究．反点阵列周期为2μm三角形、五角形的单元，带有面内磁化强度36nm到200nm，其中反点尺寸与反点间隔尺寸相同.磁Co或8nmNisoFe20（NiFe）薄膜：用透射电镜中高分辨率微分相衬图像模式观察这些单元的磁畴光克尔效应测量显示，初始有少量反点阵行向的反点磁化翻转，紧接着有大量的列向（平行于外场结构，在这些图像中观察到了不均一的磁化结构方向）反点磁化强度发生翻转：利用X射线光电在剩磁态，降到100nm大小，36nm厚的所有形状子能谱电子显微镜（PEEM）和透射X射线显微镜的Co单元和降到116nm直径的圆形NiFe单元中(TXM)，对应于后一个不可逆过程，观察到离散的存在涡旋.三角形的NiFe单元中没有涡旋态存在，磁畴链的形核和增殖．通过磁性模拟，展现了行向代之以圆形曲线的磁化强度，但是没有达到复杂的反点阵的垂直方向链通过多种机制阻止增殖链端磁通关闭，通过模拟方形和圆形NiFe单元，发现单由于实验上很难实现直接观测纳米结构体系元边缘的缺陷通过涡旋机制促使磁化翻转，而没有的磁化反转，Leven和Dumpich[25]用间接手段磁缺陷的单元在更低的场下旋转翻转.阻测试来观测磁化反转，为了避免纳米线阵列中偶对于涡旋（带有卷曲磁结构的铁磁点）：理论极相互作用的影响，他们通过电子束刻蚀在硅基底上预测了在涡旋中心存在一个垂直的磁化强度上制备单根纳米线，通过特殊的两步法，将非磁性Shinjo等[29]使用磁力显微镜通过对NisoFe20的坡的金点电极连接到钻纳米线上来排除点电极结构莫合金环形点（直径0.3um至1um，50nm厚）分对磁化反转的影响为了辅助磁电阻的分析，对钻析提供了实验上的证明.纳米线的结构、形貌以及磁性也进行了表征，通过铁磁性纳米圆形点阵中的磁性涡旋中心具有调节磁场的方向，可以得到三种不同的磁电阻测试共振频率，该频率起源于涡旋中心的限制作用，通过考虑自旋传输矩的微磁学模拟，Kasai等[30]得到结果.基于各向异性磁电阻效应、横向磁电阻和极向磁电阻反映了纳米线中磁矩的一致旋转，且与纳涡旋中心能够被通过点阵的交流自旋极化电流共米线的宽度无关，然而，纳米线的纵向磁电阻结果振激发，并且可以通过改变点阵的形状调控共振表明其磁化反转与纳米线的宽度有关对手细的纳发的频率，通过测量自旋极化电流作用下的电阻成功地探测到了与模拟一致的共振频率米线，磁化反转时会出现成核现象：对手宽的纳米Novosad等[31]报道了被限制在盘型铁磁点阵线，会形成多畴结构：对于纳米线宽度介于两者之间时，会出现“过渡性”的磁化反转现象中磁性涡旋的共振行为的高分辨实验探测.通过Nielsch等[26]采用磁强计和磁力显微镜表征在共面微波波导管用电子束光刻制成直径分别为067503-5

物 理 学 报 Acta Phys. Sin. Vol. 64, No. 6 (2015) 067503 壁位移以及帽开关, 它们的出现是由小晶粒薄膜中 的析出粒子引起的. 在厚度大于100 nm的薄膜中 有条状畴出现. 当在垂直于薄膜表面方向施加一个 1.5 T的外场时, 条状畴变为锯齿状. 实验表明, 薄 膜(5—45 nm)中畴的尺寸以及厚膜(100—450 nm) 中条状畴的宽度都随薄膜厚度的平方根而变化. 由于几何结构限制对自旋的约束, 使得它与磁 体的特征尺度相当, 从而引起了对纳米尺度自旋磁 点阵的广泛研究兴趣. Chuang等 [23] 使用嵌段共 聚物模板方法制备了具有26 nm或40 nm周期的 Co 和Co/Cu/NiFe反点阵膜(具有周期性孔阵列). 反点阵膜的磁性能与相同组成的连续薄膜截然不 同. 孔增加了单层Co薄膜的矫顽力, 在多层膜中孔 导致剩磁处Co层和NiFe层磁矩的反平行排列, 这 是层间强的静磁相互作用的结果. 微磁学模拟证实 了这些结果, 可以通过薄膜中纳米孔和畴壁之间的 相互作用来解释矫顽力趋势. Heyderman等[24] 对方形格子Co反点阵的磁 化翻转开展了详细的研究. 反点阵列周期为2 µm 到200 nm, 其中反点尺寸与反点间隔尺寸相同. 磁 光克尔效应测量显示, 初始有少量反点阵行向的 反点磁化翻转, 紧接着有大量的列向(平行于外场 方向)反点磁化强度发生翻转. 利用X射线光电 子能谱电子显微镜(PEEM)和透射X射线显微镜 (TXM), 对应于后一个不可逆过程, 观察到离散的 磁畴链的形核和增殖. 通过磁性模拟, 展现了行向 反点阵的垂直方向链通过多种机制阻止增殖链端. 由于实验上很难实现直接观测纳米结构体系 的磁化反转, Leven和Dumpich [25] 用间接手段磁 阻测试来观测磁化反转. 为了避免纳米线阵列中偶 极相互作用的影响, 他们通过电子束刻蚀在硅基底 上制备单根纳米线. 通过特殊的两步法, 将非磁性 的金点电极连接到钴纳米线上来排除点电极结构 对磁化反转的影响. 为了辅助磁电阻的分析, 对钴 纳米线的结构、形貌以及磁性也进行了表征. 通过 调节磁场的方向, 可以得到三种不同的磁电阻测试 结果. 基于各向异性磁电阻效应、横向磁电阻和极 向磁电阻反映了纳米线中磁矩的一致旋转, 且与纳 米线的宽度无关. 然而, 纳米线的纵向磁电阻结果 表明其磁化反转与纳米线的宽度有关. 对于细的纳 米线, 磁化反转时会出现成核现象; 对于宽的纳米 线, 会形成多畴结构; 对于纳米线宽度介于两者之 间时, 会出现“过渡性”的磁化反转现象. Nielsch等 [26] 采用磁强计和磁力显微镜表征 了镶嵌在高有序孔状氧化铝基体中的100 nm 周期 Ni纳米线阵列的磁性行为. 从55 nm到30 nm, 降 低纳米线的直径而保持纳米线间距为常数, 导致纳 米线的矫顽力从600 Oe增加到1200 Oe, 同时剩磁 从30%增加到100%. 阵列的畴壁结构显示出类迷 宫式的退磁态. 这些结果显示出单畴纳米线的杂散 场相互作用完全依赖于纳米线的直径. Escrig等[27] 通过理论计算研究了利用原子层 沉积法生长的外径为50 nm的氧化铁纳米管点阵 的磁化反转和畴壁厚度dw 之间的关系. 研究表明: dw < 13 nm时, 磁化反转是由涡流畴壁的运动引 起的; dw > 13 nm时, 磁化反转是由横向的畴壁移 动引起的. 纳米管间的静磁相互作用导致阵列的矫 顽力的减小. 计算结果和近期的实验结果相一致. 他们认为, 在所研究的长度范围内, 磁化反转的涡 流和横向模式之间的过渡是一个普遍的现象. Kirk等[28] 采用透射电镜中的磁图像检验亚微 米单元. 制备了大小为100—500 nm 的方形、圆形、 三角形、五角形的单元, 带有面内磁化强度36 nm Co 或8 nm Ni80Fe20 (NiFe) 薄膜. 用透射电镜中 高分辨率微分相衬图像模式观察这些单元的磁畴 结构. 在这些图像中观察到了不均一的磁化结构. 在剩磁态, 降到100 nm 大小, 36 nm 厚的所有形状 的 Co 单元和降到116 nm 直径的圆形NiFe单元中 存在涡旋. 三角形的NiFe单元中没有涡旋态存在, 代之以圆形曲线的磁化强度, 但是没有达到复杂的 磁通关闭. 通过模拟方形和圆形NiFe单元, 发现单 元边缘的缺陷通过涡旋机制促使磁化翻转, 而没有 缺陷的单元在更低的场下旋转翻转. 对于涡旋(带有卷曲磁结构的铁磁点), 理论 上预测了在涡旋中心存在一个垂直的磁化强度. Shinjo等 [29] 使用磁力显微镜通过对Ni80Fe20 的坡 莫合金环形点(直径0.3 µm至1 µm, 50 nm厚)分 析提供了实验上的证明. 铁磁性纳米圆形点阵中的磁性涡旋中心具有 共振频率, 该频率起源于涡旋中心的限制作用. 通 过考虑自旋传输矩的微磁学模拟, Kasai等 [30] 得到 涡旋中心能够被通过点阵的交流自旋极化电流共 振激发, 并且可以通过改变点阵的形状调控共振激 发的频率. 通过测量自旋极化电流作用下的电阻成 功地探测到了与模拟一致的共振频率. Novosad等[31] 报道了被限制在盘型铁磁点阵 中磁性涡旋的共振行为的高分辨实验探测. 通过 在共面微波波导管用电子束光刻制成直径分别为 067503-5