基于曲率截面Pt/Co/Ni/Co纳米带的电流驱动畴壁动力学研究

《Advanced Materials》：Current-Induced Domain Wall Dynamics in Pt/Co/Ni/Co Nanoribbons With Curvilinear Cross-Sections

　　

近期在紧凑且易制备的磁性薄膜器件方面的进展引发了人们对其在磁性存储器技术中应用（尤其是赛道存储器）的浓厚兴趣。然而，迄今为止大多数研究都基于二维赛道，而赛道存储器的全部潜力只有通过三维架构才能实现。一系列三维几何构型可通过空间曲率显著影响磁性相互作用。本研究工作中，研究人员利用磁控溅射技术在具有曲线表面的纳米带上制备了Pt/Co/Ni/Co多层膜，并研究了随之产生的电流驱动畴壁动力学。通过先进的多光子光刻（multiphoton lithography, MPL）技术制备了具有可控截面曲率的纳米带。研究表明，表面曲率——无论是凹曲率还是凸曲率——均可增强或抑制电流驱动的畴壁运动。这些不同的响应源于流经这些曲线几何结构的电流所产生的奥斯特场（Oersted field）。在这些结构中，上-下（up-down）和下-上（down-up）畴壁在电流注入下以相同速度运动。然而，通过引入同时包含凹曲率和凸曲率截面的更为复杂的混合结构，研究人员发现上-下与下-上畴壁具有截然不同的速度，因而该结构可充当畴壁过滤器。

研究人员在题为“基于曲率截面Pt/Co/Ni/Co纳米带的电流驱动畴壁动力学研究”的论文中，系统研究了三维曲线截面几何效应对电流驱动畴壁运动（current-induced domain wall motion, CIDWM）的影响，该论文发表于《Advanced Materials》。

### 研究背景与问题

磁性多层膜中的电流驱动畴壁（domain wall, DW）高速运动是赛道存储器（racetrack memory）的核心物理机制。重金属/铁磁（HM/FM）多层膜由于界面Dzyaloshinskii–Moriya相互作用（DMI）能够稳定手性Néel型畴壁，自旋轨道矩（SOT）可在纳米线中高效驱动畴壁。然而，绝大多数前期研究集中在二维平面赛道结构。三维几何构型能够引入有效各向异性和手性交换作用，从而调控磁性相互作用与畴壁动力学，但目前关于曲线纳米线中电流驱动畴壁运动的实验研究仍十分有限。

### 研究内容与核心结论

研究人员利用先进多光子光刻（MPL）技术制备了截面曲率可控的Pt/Co/Ni/Co多层膜纳米带，系统研究了凹曲率与凸曲率对电流驱动畴壁运动的影响。结果表明，对于单一曲率纳米带，凹曲率（κ = ?0.1 μm^?1）结构中的畴壁速度显著高于凸曲率（κ = +0.1 μm^?1）结构，且这一差异对两种畴壁（上-下与下-上）和电流极性均成立。该效应源于电流在曲线截面中产生的非均匀奥斯特场（Oersted field）：凸曲率增强了纳米带顶部的奥斯特场，凹曲率则减弱了该场。进一步地，研究人员制备了包含凹、凸两段截面的混合纳米带（CV/CC与CC/CV），发现上-下与下-上畴壁在该结构中呈现不同速度，速度差异可达10%–20%，由此实现了具有畴壁过滤功能的几何构型。

### 主要关键技术方法

研究人员采用以下关键技术：

1. **先进多光子光刻（MPL）**：利用780 nm飞秒脉冲激光，以逐层方式（层厚约10 nm）制备具有精确截面轮廓的三维聚合物纳米带骨架，避免了自组装、柔性弯曲等方法的几何精度不足问题。
2. **磁控溅射薄膜沉积**：在三维骨架上沉积Pt/Co/Ni/Co（50/3/7/3，单位?）多层膜，获得垂直磁各向异性（PMA）与手性Néel型畴壁；覆盖TaN底层与保护层。
3. **聚焦离子束（FIB）加工**：用于隔离电接触垫，确保对纳米带的纯电学访问。
4. **磁光Kerr显微镜（MOKE）测量**：对畴壁位移进行实时成像，并根据脉冲序列计算畴壁速度。
5. **奥斯特场数值计算**：基于Biot–Savart定律并结合各层金属电导率，计算不同截面构型下的电流诱导奥斯特场分布。
6. **一维畴壁运动模型（q–χ模型）模拟**：将计算得到的奥斯特场纳入Landau–Lifshitz–Gilbert（LLG）方程，分析各力矩对畴壁速度与倾角的贡献。

### 研究结果

#### 2.1 三维曲线纳米带的制备

通过MPL逐层打印制备了V形截面纳米带，该设计避免了薄膜沉积过程中侧壁被覆盖。沉积Pt/Co/Ni/Co多层膜后，所有器件（平坦、凸、凹）的磁滞回线均呈现良好方形度且矫顽力（H_C）几乎一致，表明聚合物骨架表面的磁性质量相似。

#### 2.2 电流驱动畴壁运动

MOKE成像显示，在相同电流密度J = 1.42 × 10⁸ A cm^?2下，凹曲率纳米带中两种畴壁均比凸曲率纳米带移动更快。对于凸曲率，上-下与下-上畴壁的倾角χ分别为+37° ± 2°和?38° ± 1°；凹曲率时则减小至+30° ± 1°和?29° ± 1°。通过不同面内纵向磁场H_x下畴壁速度的截距测量，平坦、凸、凹纳米带的DMI场分别为474 ± 1 Oe、475 ± 3 Oe和472 ± 5 Oe，说明曲率并不改变界面DMI，曲率效应另有来源。

#### 2.3 混合曲线截面结构

在CV/CC（左凸右凹）和CC/CV（左凹右凸）混合纳米带中，上-下与下-上畴壁出现显著速度差异。对于CV/CC结构，无论电流方向如何，下-上畴壁均快于上-下畴壁；CC/CV结构则相反。归一化速度差Γ在J ≈ 1.15 × 10⁸ A cm^?2附近达到最大，高电流时饱和于约±0.05–0.1，对应10%–20%的速度对比度。倾角测量显示，某一畴壁构型的倾角被几乎消除，而相反构型的倾角增大至+44° ± 2°/?42° ± 4°，与速度变化对应。

#### 2.4 凹凸截面的几何效应

矫顽力一致性和计算分析排除了应变、各向异性或手性交换作用的显著贡献。奥斯特场计算表明：在平坦纳米带顶部，奥斯特场均匀且约为58 Oe；凸曲率顶部增强至约63 Oe；凹曲率顶部减弱至约53 Oe。混合结构的凸段与凹段分别产生增强（约62 Oe）与减弱（约54 Oe）的奥斯特场分布。

#### 2.5 几何效应与畴壁动力学的相互作用

将修正的奥斯特场纳入LLG方程及q–χ模型后，发现凹曲率减弱Oersted力矩，使畴壁速度增大且倾角减小；凸曲率则增强Oersted力矩，使速度减小且倾角增大。平坦结构介于二者之间。模型预测与实验趋势定量一致。在混合结构中，局部奥斯特场差异与畴壁固有手性倾角相结合——当快速段与慢速段的布局补偿或增强固有倾角时，不同畴壁构型呈现不同倾角与速度，由此实现上下与下上畴壁的区分。

### 讨论与结论总结

讨论部分指出，单曲率纳米带中两种畴壁速度相同，因为曲率导致的Oersted场对两种畴壁构型是对称的；而在混合曲率纳米带中，畴壁的手性磁结构（Néel型手性）与几何手性（段序）发生耦合，使上-下与下-上畴壁获得不同倾角与速度。研究结论表明，三维截面曲率可被精确工程化以调控手性畴壁运动，为设计能区分上-下与下-上畴壁的“速度过滤器”提供了新策略，对三维赛道存储器架构的发展具有直接指导意义。