钴基磁性微丝中梯度磁各向异性调控的畴壁动力学研究及其应用潜力

本研究针对磁性存储与逻辑器件中畴壁(DW)动力学控制难题，通过温度梯度退火技术在Co69.2 Fe3.6 Ni1 B12.5 Si11 Mo1.5 C1.2 微丝中构建梯度磁各向异性，实现从倾斜到矩形磁滞回线的连续调控。研究发现畴壁在梯度区域呈现非均匀传播特性，速度差异达40-50 m/s，且传播方向可通过退火区位置主动控制。该成果为开发新型磁畴存储器提供了简单有效的材料设计策略。

　　

在磁性存储技术快速发展的今天，如何精确控制磁畴壁(Domain Wall, DW)运动成为实现高密度磁存储器的关键挑战。传统平面纳米线中畴壁速度通常局限在100 m/s以下，而圆柱形非晶微米线虽能实现1000 m/s级高速运动，却面临调控手段复杂的困境。现有技术如局部反平行磁场钉扎或人工缺陷控制等方法，往往需要复杂的制备工艺或外部场精确调控，严重制约了实际应用。

针对这一瓶颈，来自西班牙巴斯克大学的研究团队创新性地利用温度梯度退火技术，在钴基非晶微丝中构建了连续变化的梯度磁各向异性(Graded Magnetic Anisotropy)。相关研究成果发表在《Journal of Science: Advanced Materials and Devices》上，为解决磁畴运动控制难题提供了新思路。

研究采用泰勒-乌里托夫斯基法制备Co_69.2
Fe_3.6
Ni₁
B_12.5
Si₁₁
Mo_1.5
C_1.2
玻璃包覆微丝（金属核直径19.8 μm），通过移动热电偶测绘炉温分布曲线确定梯度退火区域。利用2 mm可移动拾取线圈测量局部磁滞回线，采用Sixtus-Tonks-like装置结合三组拾取线圈精确测定畴壁速度(v)，并通过电磁力(EMF)脉冲分析评估畴壁特征宽度(δ_w
)。

实验结果显示：

1. 梯度磁各向异性的构建：温度梯度退火使微丝沿长度方向呈现从倾斜到矩形磁滞回线的连续变化。在退火温度(T_ann
   )梯度区域，剩余磁化强度(M_r
   /M₀
   )从0.3增至0.98，矫顽力(H_c
   )提升3倍，对应磁各向异性常数(K)的梯度变化。

2. 畴壁动力学调控：矩形回线区域呈现单畴壁传播，速度达800 m/s。梯度区域畴壁运动呈现显著非均匀性，v_1-2
   与v_2-3
   速度差达200 m/s，这是由磁弹各向异性(K_me
   =3/2λ_s
   σ_i
   )的连续变化所致。

3. 传播方向的可控性：通过调整梯度退火区在磁化线圈中的位置，成功实现畴壁传播方向的主动反转。当梯度区置于线圈外时，畴壁速度提升近1倍，证实了畴壁惯性(M_d
   )对动力学的影响。

4. 畴壁结构特征：EMF脉冲分析显示钴基微丝中畴壁宽度(δ_w
   ≈1.6 cm)显著大于铁基微丝(0.4 cm)，这与前者更低磁致伸缩系数(λ_s
   ≈10^-6
   )导致的磁各向异性减弱直接相关。

讨论与结论：
该研究开创性地证明了温度梯度退火这一简单方法可在钴基微丝中构建梯度磁各向异性，相比传统化学组分梯度或应力退火技术具有显著优势。通过核心-壳层(Core-Shell)模型分析，发现外域壳层横向磁各向异性对提升畴壁速度起关键作用，这为设计新型磁畴存储器提供了重要指导。

研究揭示的畴壁惯性效应和非均匀传播特性，为理解超快磁化反转机制提供了新视角。特别是通过退火温度梯度即可实现传播方向控制的技术路径，极大简化了磁逻辑器件的制造工艺。未来通过优化Co/Fe比例和退火参数，有望在保持高速运动的同时实现更精确的畴壁定位控制，推动磁畴存储技术向实用化迈进。

这项工作不仅为磁性功能材料设计开辟了新方向，其揭示的梯度各向异性与畴壁动力学耦合机制，对自旋电子学器件、磁传感器等领域也具有重要借鉴价值。相比需要复杂制备工艺的多段纳米线，这种"单一材料梯度调控"策略展现出显著的产业化应用潜力。