基于斯格明子的自旋转移矩纳米振荡器的微磁学模拟

最近,人们发现了一种性能优良的新型磁性结构——斯格明子,为了解决传统微波发生器件能耗高、频谱窄等一系列问题,人们提出设计一种基于磁性斯格明子的自旋纳米振荡器。该器件的研发还处于理论设计阶段,因此有必要对斯格明子在器件中的产生及振荡机制进行研究。本文采用微磁学模拟方法,探究了极化电流密度以及DMI(Dzyaloshinkii-Moriya interaction)对斯格明子成核的影响规律。着重模拟了单个斯格明子在纳米圆盘中的振荡行为,并总结了电流密度以及DMI对斯格明子进动频率以及进动半径的影响。最后,探索了斯格明子个数对振荡器输出频率的影响,以期对该器件的研发提供理论预测和指导。     

垂直点接触自旋霍尔纳米振荡器中自旋波动力学的微磁学模拟

基于微磁学模拟的方法,对垂直点接触自旋霍尔纳米振荡器(VNC-SHNO)中自旋波的激发和其非线性动力行为随电流、磁场及角度的依赖关系进行了详细的数值模拟研究.首先研究了纳米振荡器的频谱特性随激发电流的变化的关系,发现在低电流下,其频谱在远低于铁磁共振频率f_FMR处出现一个自旋相干性很好的振荡峰f₁以及几个高阶谐波峰,且其频率随电流增加表现出明显的红移;而在高电流下,其频谱除了出现低频f₁峰以外,在接近f_FMR处还出现了一个高频峰f₂,但其频率几乎不随激发电流变化.其次,通过振荡模式的功率谱的空间分布图,发现f₁是局域在点接触边界的一类非线性“子弹”型自旋孤波,而f₂是分布在局域模f₁外围的一类准线性传播型自旋波.最后,还细致研究了外加磁场强度及外加磁场面外角度对自旋霍尔纳米振荡器中这两类自旋波的激发和调控规律,为下一步实验研究该器件的非线性动力特性及其在非线性逻辑计算中的应用提供了理论基础.     

钉扎层磁矩倾斜角度对微波频率的影响

对于钉扎层磁矩倾斜的磁性纳米振荡器,利用宏自旋模拟程序研究了钉扎层倾斜角度对自由层磁矩的动力学行为的影响.研究结果显示,激发微波的频率随电流密度以及倾斜角度的增加而增加,随着阻尼系数和饱和磁化强度的降低而增加.     

纳米带中涡旋畴壁在磁场驱动下的振荡行为

利用微磁学模拟软件(OOMMF),对坡莫合金纳米带中涡旋畴壁在略高于Walker极限的磁场驱动下的动力学行为进行模拟,分析外磁场强度、纳米带尺寸及自旋极化电流对畴壁振荡频率的影响。结果表明,纳米带中涡旋畴壁的振荡频率随外磁场强度的增大而增加,随着纳米带宽度的增加呈先增加后减小再增大最后基本保持不变的趋势;外加与磁场方向相反的平衡电流,虽然不改变畴壁振荡频率随外磁场强度和纳米带宽度的变化规律,但能起到减小畴壁振荡频率的作用,且平衡电流随外磁场强度和纳米带宽度的变化趋势与畴壁振荡频率基本相反,而其随着阻尼系数的增大而线性增加。     

外磁场和电流共同驱动的磁纳米柱中磁矩动力学

针对自由层与自旋极化层均为垂直磁各向异性材料的磁纳米柱结构,基于Landau-Lifshitz-Gilbert-Slonczewski(LLGS)方程,利用微磁学模拟方法,研究了外磁场和电流导致的自旋转矩效应所驱动的自由层磁矩翻转特性.模拟结果显示磁矩翻转曲线中出现了多个凸起的非正常翻转状态;且凸起区域出现的位置与外加磁场大小、纳米柱尺寸和垂直磁各向异性相关,而与极化层磁矩的倾角大小无关.在自旋极化层的磁矩倾角给定时,凸起区域出现的磁矩状态有亚稳态、振荡态、稳定态3种.给出建立了它们随磁场和极化层倾角变化的参数相图.     

磁性纳米颗粒的磁特性研究

基于Monte Carlo数值模拟,研究了具有近邻与次近邻交换耦合作用的Heisenberg体心立方晶格结构纳米颗粒的磁性质.研究表明,近邻和次近邻交换耦合作用的相互竞争将形成不同的磁有序.利用不同的序参量来表征不同的磁有序,给出了交换作用的大小和类型以及尺寸大小等对纳米颗粒的磁化强度、相变行为的影响.理论计算结果较好地解释了实验事实.     

垂直磁化纳米线中不同对称刻痕对磁畴壁振荡行为的影响

借助微磁模拟软件(OOMMF),利用具有不同对称刻痕的垂直磁化纳米线模型研究了CoPtCr合金在电流驱动下的磁畴壁振荡行为,重点分析了振荡区间、振荡频率、振荡振幅等参数与不同对称刻痕的关系。研究结果表明,振荡区间可以通过刻痕深度和刻痕形状进行调节;振荡频率随着电流增大呈线性增大且与刻痕形状关系不大,当刻痕达到一定深度后振荡频率会保持稳定不变;在相同模拟计算条件下,三角形对称刻痕对应的振荡振幅最大,圆弧形对称刻痕相应值次之,矩形对称刻痕相应值最小。     

偏压可调的铁磁-肖特基金属和半导体纳米电子自旋过滤器

在半导体异质结上沉积一条纳米级的铁磁条带和一条肖特基金属条带可获得一个电子自旋过滤器.采用转移矩阵法,我们研究了偏压对该电子自旋过滤器中电子自旋过滤性质的影响.通过数值计算,我们发现,该电子自旋过滤器中,电子自旋极化的幅度和符号与偏压密切相关,这可用来制造一个偏压可调的电子自旋过滤器.     

铁纳米环磁特性的尺寸效应——蒙特卡罗模拟

利用Monte Carlo 模拟方法研究了样品的尺寸对外径为200 nm的铁纳米环磁特性的影响.分别从不同尺寸纳米环的磁化反转机制、纳米环的磁滞回线以及矫顽力的特点等方面来研究.结果表明:铁纳米环的尺寸对其"Vortex"态的形成及稳定性有较大的影响,表明了其明显的尺寸效应.     

纳米磁性存储单元的形状各向异性效应

用OOMMF软件研究了纳米磁颗粒内磁化强度的翻转,对比了磁化强度在各种不同形状的相同材料内的翻转时间,发现在双轴磁晶各向异性材料中磁化强度的翻转特性与材料的形状密切相关.矩形材料的各向异性能够有利于材料内磁化强度更快地翻转,而且可以降低翻转所需的外加磁场强度.     

电磁铁传热特性及散热优化的数值模拟

电磁铁是电液控制系统的核心液压元件,被广泛应用于航空航天和石油工业等领域,但电磁铁工作产生的焦耳热和电磁损耗会导致温度迅速升高、局部热应力和不均匀膨胀变形,严重影响稳定性和使用寿命。笔者采用有限元软件研究电磁铁温度、应力及变形的演化规律,分析导热套筒散热与强制对流散热对其热性能的影响规律。结果表明：随着线圈功率增大,电磁铁的最大温度、热应力和变形量均线性增大;随着套筒厚度增加,稳态的最大温度、变形量和导热量线性减小,温降幅度为12.5 ℃/mm;随着流速增加,最大温度、热应力和变形量显著减小,温降幅度45.5 ℃/(m·s^-1),说明增强导热和对流均能提高电磁铁热性能且对流更为显著。     

波壁管式换热器内壳侧流体流动与换热特性

传统的直壁管式换热器的换热效率不高,为了增强换热器内流体的换热效率。采用数值模拟的方法对<1-2>型波壁管式换热器内流体的流动与换热特性进行了研究,重点探讨了雷诺数Re与波壁管半径比i对换热器内流体的流动特性、阻力特性、换热特性以及综合换热性能的影响。结果发现,与直壁管式换热器相比,波壁管式换热器内流体的流动状态能够得到较大的改善。波壁管式换热器壳程流体的进出口平均压降比直壁管式换热器低,平均压降最大可降低11.01%,并且发现随着Re的增加,平均压降明显增大,随着i的增加,平均压降略有增大。波壁管式换热器壳程内流体的对流换热系数h_s明显大于直壁管式换热器,h_s最大可增加14.17%。h_s随着Re的增大逐渐增加,而i对h_s的影响不明显。同时发现波壁管式换热器的综合换热性能与雷诺数Re成正相关,而与半径比i成负相关。与直壁管式换热器相比,波壁管式换热器的综合换热性能更强。     

倾角对湍流狭缝冲击射流流动与传热性能的影响

为了研究倾斜冲击射流的流场结构和传热性能,采用SIMPLE算法和RNGk-ε湍流模型,对三种入射角度下的狭缝湍流冲击射流进行了数值模拟。结果表明,由于射流的卷吸以及上封闭板的作用,在流场两侧的流出区域分别形成了一个环形的回流区。当射流倾角减小时,左侧回流区的范围变小,而右侧的回流区增大。流场中的低温区以及冲击表面压力系数最大值和局部Nu最大值的位置也都随着倾角的减小而向流场的左侧偏移。当倾角减小时,冲击表面压力系数最大值降低,局部Nu最大值没有明显的变化,射流与冲击面之间的平均传热率降低。     

渣浆泵内固相颗粒冲蚀特性的数值模拟

应用雷诺涡粘模型(液相)、离散相流动模型(固相)和压力耦合流场计算法,对渣浆泵全流道内固液两相湍流场的固相颗粒的冲蚀行为进行数值模拟.研究泵转速、固相粒径和叶片参数对颗粒冲蚀特性的影响.研究结果表明:随着泵转速的提高或者粒径的增大,颗粒冲击叶片表面的位置逐步移向叶片的头部,颗粒的冲击速度和冲击角度随之增大;不同叶片参数的叶轮对固相颗粒的冲蚀行为影响明显;数值模拟的研究成果可应用于抗冲蚀磨损叶轮的设计.