納米結構薄膜的磁共振和磁耦合.pdf

1、磁性材料的研究長久以來一直是磁學研究的重要組成部分，其中軟磁材料因為其高飽和磁化強度和低矯頑力等特點也廣泛的應用于各個領域。近年來，隨著自旋電子學的快速發(fā)展，軟磁薄膜材料再次迎來了研究熱潮，軟磁材料與非磁金屬的多層膜結構被大量的應用于如自旋泵浦效應，自旋霍爾效應，自旋塞貝克效應等研究。坡莫合金作為經典的軟磁材料，擁有更低的矯頑力和磁各向異性，是目前研究最多的自旋電子學器件材料。但是，由于坡莫合金的軌道淬滅，自旋軌道耦合作用相對較弱，造成

2、阻尼因子偏小，很大程度上限制了它的應用。稀土元素作為重要的戰(zhàn)略資源，在硬磁和軟磁領域都有很重要的應用。稀土元素通常在室溫下表現出弱磁性，并且本身具有較強的自旋軌道耦合，其與坡莫合金構成的多層膜結構，在保持較好的軟磁特性的基礎上，可以改變樣品整體的阻尼因子，這一點對構成自旋轉移力矩振蕩器等自旋器件是十分關鍵的。另一方面，強自旋軌道耦合材料一直是自旋電子材料的一個研究熱點，包括自旋泵浦效應以及自旋霍爾效應均有涉及。自旋軌道耦合作用又可以分為

3、內稟和外稟兩類，內稟是由材料本身的自旋-軌道相互作用引起的，強的內稟自旋軌道耦合作用會表現出強的自旋泵浦效應和自旋霍爾效應等;外稟則是由于摻雜等外因引起的自旋軌道耦合加強，如Skew Scattering和Side Jump等等，外稟自旋軌道耦合也會表現出強的自旋霍爾效應，但是不會產生大的自旋泵浦效應。隨著軍事及通訊產業(yè)的發(fā)展，軟磁材料在高頻率段的應用也日益得到重視。傳統(tǒng)的軟磁材料如鐵磁金屬及其合金，或者鐵氧體等等，都存在一定的缺陷，導

4、致材料在高頻下會有較大的磁滯損耗和渦流損耗，不利于應用。隨著鐵基納米非晶帶材/薄膜的提出，這些問題得到了解決，通過帶材或者薄膜結構來減小渦流損耗，改變退火條件控制晶粒生長來得到合適的矯頑力，材料的電阻率也可以通過退火氧化變大，從而可以得到高磁導率，高磁化強度和大電阻率的高頻軟磁材料。本研究主要內容包括：
　?、牌履辖?稀土異質結構的界面自旋泵浦效應研究。制備了Py/RE，Py/RE/Py兩個結構的薄膜樣品，稀土元素分別選用重稀土

5、Tb和輕稀土Nd，主要針對Py/RE的界面泵浦效應，開展了對雙層膜和三層膜的磁化動力阻尼的研究，同時比較Py/RE以及Py/RE/Py的實驗結果，探索了多界面對自旋泵浦效應和磁化動力阻尼的影響。得到的研究結果如下：在Py/Tb(Py/Tb/Py)系列樣品中，對雙層膜，樣品的矯頑力隨著Tb的插入增厚總體呈增大趨勢，從2Oe增大到9Oe，最后趨于穩(wěn)定，飽和磁化強度隨Tb增厚而減小，從787emu/cm3降低到700emu/cm3左右;而對于

6、三層膜，總體變化趨勢跟雙層膜一致，Hc從2Oe增大到8Oe左右，Ms從820降低至680emu/cm3，但是會在dTb≥12nm時出現雙Hc現象，說明三層膜樣品中的兩個坡莫合金層的矯頑力出現差異，可能是由于Py/Tb界面和Tb/Py界面對兩磁層的影響不同所致；在Py/Nd(Py/Nd/Py)系列樣品中，雙層膜和三層膜的矯頑力和飽和磁化強度都基本維持不變，雙層膜的Hc一直保持在3Oe左右，三層膜則有輕微變化，從3Oe降到1Oe后又增大穩(wěn)定

7、在2Oe，Ms則分別在770和790 emu/cm3左右震蕩。這是由于Nd居里溫度較低，室溫下沒有磁性，不會被相鄰的Py誘導出磁矩，因此對薄膜的磁性不會造成影響，反觀Tb的居里溫度與室溫接近，由于緊鄰效應誘導的反方向磁矩會降低薄膜的Ms；用變頻VNA-FMR鐵磁共振對樣品的共振場和共振線寬進行研究分析。通過對共振場和共振線寬的擬合發(fā)現:對Py-Tb系列，隨著Tb層厚度增加，同一頻率的共振場逐漸降低，面內的單軸各向異性常數逐漸增大，共振線

8、寬則隨著dTb增大變寬最終趨于飽和;Py-Nd薄膜同一頻率的共振峰位置則幾乎不隨dNd而變化，這和前面觀測到的Ms幾乎不變相吻合，另外也說明Py-Nd系列樣品的面內單軸各向異性沒有顯著變化，共振線寬會隨dNd增加而增大最終趨于飽和；根據線寬和阻尼的關系式得出兩個系列樣品的阻尼因子隨非磁層厚度的變化趨勢，分別利用雙層膜和三層膜模型進行擬合。對于Py-Tb系列，雙層膜和三層膜的自旋泵浦阻尼因子均隨dTb增加而從0.006左右增大并最終飽和穩(wěn)

9、定在0.045左右，但是雙層膜的增長速度更快。根據擬合結果，雙層膜和三層膜的自旋擴散長度均約為λ=6nm，界面混合電導則分別為g↑↓Py/Tb=50.5×1015cm-2和58.2×1015cm-2。對Py-Nd系列，其阻尼變化情況和Tb時基本一致，從0.006增大到0.020左右，比Tb的增幅要小，擬合得到Nd的自旋擴散長度約為λ=11nm，界面混合電導約為g↑↓Py/Tb=25×1015cm-2左右；從擬合結果看，Tb和Nd的自旋泵

10、浦效應都很明顯:Nd的自旋軌道耦合要比常見的強L-S耦合元素如Pt，Pd更強，因為其有更大的界面混合電導，而Tb的自旋軌道耦合則更強，不僅自旋擴散長度要更小，界面混合電導也是Nd的兩倍左右。此外，我們提出了有效自旋擴散長度的概念，三層膜引入的第二個RE/Py界面會增大自旋回流的幾率，使得能量耗散降低，阻尼的增加更加緩慢，因此表觀上三層膜有更大的自旋擴散長度。
　?、艭u基材料摻雜Ta引起的強自旋軌道耦合研究。采用磁控濺射儀制備了由

11、坡莫合金Py和Cu基中摻雜不同成分的Ta元素構成的雙層膜結構，通過鐵磁共振和平面霍爾效應的測量方法對薄膜的自旋軌道耦合作用進行了研究，得到結果如下：利用磁控濺射儀制備了Py/Cu-Ta的雙層膜結構，其中采用Ti作為緩沖層，SiO2作為保護層。固定Py層的厚度為2nm，改變Cu-Ta的厚度來研究厚度依賴性，并通過共濺射的方法實現不同摻雜成分的Cu-Ta薄膜層，質量組分依次為7％，10％和12％；自旋軌道耦合作用可以分為內稟和外稟兩類，內稟

12、來自于非金屬本身由于f電子引起的強自旋軌道耦合作用，而外稟則是由于摻雜等引起的Side Jump和SkewScattering等作用造成的自旋軌道耦合加強。通過鐵磁共振研究了不同成分Py/Cu-Ta樣品的自旋泵浦效應，結果表明所有成分的Py/Cu-Ta樣品的共振線寬和阻尼因子并沒有明顯的增大，阻尼因子的大小均約為0.007左右，與單層的Py的本征阻尼近似，說明樣品中沒有明顯的自旋泵浦效應，Cu-Ta薄膜的內稟自旋軌道耦合作用很弱；采用平

13、面霍爾效應的方法來研究不同成分的Py/Cu-Ta雙層膜的自旋霍爾效應。利用光刻掩膜技術刻蝕成Hall Bar結構進行輸運測量，推導計算并擬合橫向電壓值，最終得到自旋霍爾系數和自旋霍爾角。研究發(fā)現Cu-Ta能產生和Pt大小近似的較強的自旋霍爾效應，在Cu-Ta薄膜厚度為2nm左右時，摻雜成分最低7％的Cu-2Ta薄膜的自旋霍爾角可以達到0.066，這說明Cu基中摻雜Ta元素確實增強了外稟自旋軌道耦合作用。
　　⑶摻Cr-FeHfBO

14、帶材的高頻磁特性。通過單輥甩帶的方法制備了非晶態(tài)Fe-Hf-Cr-B合金帶材，利用Cr元素的摻入來進一步抑制Fe的氧化，并通過改變Cr的成分配比以及樣品的退火條件來獲取可應用于高頻下的軟磁材料，得到研究結果如下：通過單輥快淬甩帶的方法制備了不同成分的Fe-Hf-Cr-B非晶帶材樣品，并對樣品進行不同條件的退火。退火時采用低溫起泡器來降低退火環(huán)境的氧分壓，而Cr元素的引入也可以進一步抑制Fe在退火過程中的氧化，以其獲得更好的高頻軟磁帶材樣

15、品；對Fe80Hf9Cr8B3和Fe85Hf10Cr2B3兩個系列樣品的形貌結構表征和靜態(tài)磁性的測量，發(fā)現Fe85Hf10Cr2B3的樣品矯頑力隨退火溫度呈先減小后增大的趨勢，并在600℃退火1.5小時后表現出最好的靜磁特性，其矯頑力Hc為0.56Oe，飽和磁感應強度Bs可以達到1.33T，并且該樣品的晶粒尺寸也符合Fe元素的交換耦合長度，說明Fe85Hf10Cr2B3隨著晶粒生長，在晶粒尺寸達到29nm左右時產生了交換耦合作用，使得樣

16、品表現出最小的矯頑力；為了進一步驗證Fe85Hf10Cr2B3樣品作為高頻軟磁材料的有力競爭者，電阻率和高頻磁導率也進行了測量分析。電阻率最大發(fā)生在500℃退火1小時的樣品中，約為200μΩ·cm，靜磁特性最好的600℃退火1.5小時的樣品電阻率為165μΩ·cm，這一結果雖然沒有預想的電阻率大，但是比一般的金屬軟磁材料的電阻率要高兩個數量級，并且跟課題組之前的Fe89Hf8B3工作相比，電阻率也增加了一倍，可以很大程度上降低高頻下工作