一种在铁电材料中激发具有多铁性的斯格明子的方法

本发明涉及斯格明子的生成方法，具体涉及一种可以在铁电材料中形成具有多铁性的室温斯格明子的方法。

背景技术：

1、斯格明子(skyrmion)是一种具有拓扑物性的磁涡旋准粒子结构，具有纳米量级的特征大小。它具备强拓扑保护，允许无损信号读取。另外，它存在霍尔效应，并且可以受到外加电流、声子波的调控，因此在未来的自旋电子器件领域以及磁信号存储、处理、读取领域具备可观应用潜力。

2、在铁电材料中获得斯格明子，是一种被认为具有实用化前景的技术手段。铁电极化具有可以受到电场控制的优异特性。相对于目前电流控制模式，电场控制斯格明子具有零焦耳热，可以大大减小器件发热。另外，铁电性在高速调制以及稳定切换开关方面具备巨大优势，这使得存在于铁电环境中的磁斯格明子在可控性与处理速度上更有潜力。

3、目前世界上在铁电材料中获得磁斯格明子有两种方法：

4、1、寻找同时具备铁磁性与铁电性(多铁性)且存在强dmi(dzyaloshinskii-moriyainteraction)的新材料。

5、2、将晶格常数相近的铁电薄膜与铁磁薄膜结合形成异质结，并在界面处形成可以被电场控制的斯格明子

6、这两种方案在材料的选择上要求极端严格。时间反演对称性破缺与中心对称性破缺极难共存，这使得目前已被报道的多铁性材料非常有限，而其中已被证明具备强dmi的只有两种，分别是gav4s8以及cu2oseo3。另外，具备相似晶格常数的铁电氧化物与铁磁氧化物也非常稀少，目前已被报道的主要有batio3/srruo3及类似体系。因此，这两种方案所能实现的斯格明子体系非常局限，而且可以维持磁结构的极限温度远低于室温，在实际应用上存在巨大障碍。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的上述技术问题，本发明提供了一种在铁电材料中激发具有多铁性的斯格明子的方法，该方案通过高温磁涨落在铁电环境中激发斯格明子态，并依靠铁电性实现磁拓扑结构的稳定。所述生成方法包括如下步骤：

2、1)高温磁化：

3、对所述铁电单晶施加预定的磁场并升温，持续一段时间后对处于高温环境的铁电单晶进行撤场，降温，依靠退磁场进行斯格明子激发，并用高温减小激发需要的形成能。

4、2)退火：对降温的铁电单晶进行再升温，保持一段时间后降温。该过程可以令斯格明子在铁电环境中获得铁电性，并在磁涡旋中心出现铁电的自发极化电畴。

5、本发明的生成方法形成了室温、零场下稳定存在的高密度斯格明子，且该斯格明子可以同时具备磁性与铁电性。该方法生成的斯格明子在磁涡旋中心处可以观测到铁电自发极化信号，即获得的斯格明子具有多铁性。

6、优选的：所用的材料为铁电铌酸锂(linbo3)材料，包括单晶薄膜与单晶体块的铌酸锂材料。

7、优选的：所述磁场与高温有同时施加的情况。

8、优选的：所述磁场为0.3t以上

9、优选的：所述铁电单晶为铌酸锂(linbo3)材料

10、优选的：使用的高温温度为大于433k，施加磁场越大，需要的临界温度越低。

11、进一步优选，一种在铁电材料中激发具有多铁性的斯格明子的方法，包括如下步骤：

12、1)：对铌酸锂进行高温磁化操作，高温磁化操作后撤场降温，得到处理后的铁电单晶；

13、2)：对步骤1)处理后的铁电单晶进行退火处理，之后降温，得到含有多铁斯格明子的铌酸锂。

14、步骤1)中，高温磁化操作的条件为：在160℃～1200℃施加0.1t以上的磁场。进一步优选，高温磁化操作的条件为：在300℃～900℃施加0.5t～10t以上的磁场。高温磁化的目的是引入磁性背景以及强热涨落，由此在铌酸锂晶体中提供高能的磁性环境，使其成为激发磁斯格明子态的理想环境。

15、步骤2)中，退火处理的条件为：在160℃～1200℃退火1分钟以上。进一步优选，退火处理的条件为：在300℃～700℃退火5分钟～20小时。退火的目的是使用热涨落的能量将斯格明子磁涡旋与铌酸锂晶格进行耦合，利用铌酸锂本身的铁电背景激发出斯格明子的铁电性，使得磁斯格明子转变为多铁斯格明子。

16、在铁电环境中激发出的多铁斯格明子，可以将磁性这一被广泛应用的长程有序引入到铁电材料中，扩大其应用范围。另外，多铁性的建立，有助于电场对磁性的直接调制，可以用于制备下一代高速且低损耗的磁存储器件。此外，斯格明子本身的强拓扑保护属性，也有助于数据的非易失读取，对信息的长时间存储具有提升效果。

17、与现有技术相比，本发明具有如下优点：

18、1、体系广泛：不需要限定在具有强dmi的多铁材料或者晶格适配的铁电铁磁薄膜

19、2、性能优异：可以实现室温稳定的斯格明子，不需要施加外磁场即可存在，并且具有非常小的粒径

20、3、全新领域：可以实现同时具备磁性以及铁电性的室温斯格明子态，属于目前世界首例。

技术特征：

1.一种在铁电材料中激发具有多铁性的斯格明子的方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的在铁电材料中激发具有多铁性的斯格明子的方法，其特征在于，步骤1)中，高温磁化操作的条件为：在160℃～1200℃施加0.1t以上的磁场。

3.根据权利要求2所述的在铁电材料中激发具有多铁性的斯格明子的方法，其特征在于，步骤1)中，高温磁化操作的条件为：在300℃～900℃施加0.5t～10t以上的磁场。

4.根据权利要求1所述的在铁电材料中激发具有多铁性的斯格明子的方法，其特征在于，步骤2)中，退火处理的条件为：在160℃～1200℃退火1分钟以上。

5.根据权利要求4所述的在铁电材料中激发具有多铁性的斯格明子的方法，其特征在于，步骤2)中，退火处理的条件为：在300℃～700℃退火5分钟～20小时。

技术总结本发明公开了一种在铁电材料中激发具有多铁性的斯格明子的方法，包括如下步骤：1)：对铌酸锂进行高温磁化操作，高温磁化操作后撤场降温，得到处理后的铁电单晶；2)：对步骤1)处理后的铁电单晶进行退火处理，之后降温，得到含有多铁斯格明子的铌酸锂。本发明方法通过高温磁涨落在铁电环境中激发斯格明子态，并依靠铁电性实现磁拓扑结构的稳定。本发明的生成方法形成了室温、零场下稳定存在的高密度斯格明子，且该斯格明子可以同时具备磁性与铁电性。技术研发人员：余亚龙,储涛受保护的技术使用者：浙江大学技术研发日：技术公布日：2024/10/17