磁性薄膜的L-S耦合研究.pdf

1、坡莫合金Py(Py=Ni80Fe20)作為重要的軟磁材料，具有低矯頑力、低磁各向異性、低阻尼因子等特點(diǎn)，廣泛的應(yīng)用于自旋電子學(xué)的研究中。而過(guò)渡重金屬元素鉑(Pt)，銀(Ag)，金(Au)具有較大的自旋軌道(L-S)耦合作用，可以通過(guò)與Py的摻雜，修飾或影響自旋電子學(xué)器件的磁學(xué)性質(zhì)。因此，本論文以坡莫合金-重金屬摻雜薄膜為主要研究對(duì)象，系統(tǒng)地研究了不同摻雜濃度的Py100-xMx薄膜(M=Pt，Ag，Au)和Py100-x-yPtxAgy

2、薄膜的磁動(dòng)力學(xué)性質(zhì)的調(diào)控以及采用以上薄膜制備的自旋霍爾振蕩器件的微波傳輸性質(zhì)。主要研究結(jié)果包括以下幾個(gè)方面:
　　1.一元摻雜Py100-xMx合金薄膜(M=Pt，Ag，Au)的磁動(dòng)力學(xué)參數(shù)隨摻雜濃度和摻雜元素的變化。
　　系統(tǒng)研究了Py100-xMx薄膜的磁靜態(tài)、動(dòng)態(tài)性質(zhì)，研究發(fā)現(xiàn):(1)Py100-xAgx或Py100-xAux系列薄膜的阻尼因子隨著摻雜組分的增加而呈現(xiàn)出線性增強(qiáng)趨勢(shì)，而Py100-xPtx系列薄膜呈現(xiàn)出

3、一個(gè)二次平方的關(guān)系行為。和摻雜元素Ag和Au相比，當(dāng)Py摻雜進(jìn)Pt時(shí)，Pt對(duì)阻尼因子有最大的影響，Py70Pt30薄膜的阻尼因子α=0.035是純Py單層薄膜阻尼因子的4.5倍大。另一方面，Py100-xAgx薄膜的阻尼因子幾乎和摻雜的Ag濃度變化不相關(guān);(2)Py100-xMx薄膜的飽和磁化強(qiáng)度Ms隨著摻雜濃度的增加而顯示了一個(gè)二次元方程的遞減關(guān)系趨勢(shì)，減小最快的是Au而減少最慢的是Pt;(3)Py100-xMx薄膜的交換勁度系數(shù)A隨

4、著摻雜濃度的增加而呈現(xiàn)出線性遞減的趨勢(shì)，其中Py100-xAgx和Py100-xAux薄膜的A下降的相對(duì)較快。該動(dòng)力學(xué)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)趨勢(shì)與DFT理論計(jì)算的結(jié)果一致符合。
　　通過(guò)變溫鐵磁共振儀研究了不同摻雜金屬及濃度對(duì)Py100-xMx薄膜磁性的溫度依賴關(guān)系的變化影響。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)Py100-xMx薄膜的阻尼因子隨著溫度的增加而增加，其中Py70Au30的增幅最大。通過(guò)自旋駐波模式的頻率依賴性能夠得到自旋波常數(shù)D，D的溫度依賴性能夠通過(guò)T

5、2定律描述，顯示了薄膜材料中顯著的電子的巡游特性。同時(shí)對(duì)Ms的溫度依賴性進(jìn)行了測(cè)量和擬合，并通過(guò)Bloch定律估算了自旋波常數(shù)D，比較兩種擬合方法研究了Py100-xMx磁性薄膜的可能內(nèi)在激發(fā)機(jī)制。
　　2.二元摻雜Py100-x-yPtxAgy薄膜，定義三維的參數(shù)空間，在一定的范圍內(nèi)調(diào)控其Ms，α和A獨(dú)立變化。
　　為了獨(dú)立調(diào)控坡莫合金的磁性，成功設(shè)計(jì)了合金薄膜系統(tǒng)Py100-x-yPtAgy，通過(guò)調(diào)制Pt和Ag的摻雜組分

6、，保持飽和磁化強(qiáng)度Ms不變，提高阻尼因子的設(shè)想。成功的制備了厚度為100nm的Py100-x-yPtxAgy薄膜，實(shí)現(xiàn)了平均飽和磁化強(qiáng)度保持為μ0Ms=0.724±0.014T，而阻尼因子隨著Pt組分的增加而有接近4倍的增長(zhǎng)。
　　3.Py100-x-yPtxAgy/Pt-SHNO器件-單納米壓縮結(jié)構(gòu)。
　　以二元摻雜的Py100-x-yPtxAgy薄膜為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)和制備了Py84Ag16/Pt(S01)，Py77.5Pt1

7、0Ag12.5/Pt(S02)，Py75Pt15Ag10/Pt(S03)，Py73Pt19Ag8/Pt(S04)雙層薄膜，該系列薄膜的飽和磁化強(qiáng)度μ0Meff=(0.617±-0.034)T，阻尼因子的可調(diào)控范圍為1-3倍左右。在上述薄膜基礎(chǔ)上，成功的制備了單納米壓縮結(jié)構(gòu)的SHNOs器件，壓縮結(jié)構(gòu)具有相同寬度150nm。研究發(fā)現(xiàn)，在同一磁場(chǎng)0.5T下，固定磁場(chǎng)掃電流IDC，(1)不斷增加的阻尼因子不會(huì)改變器件所激發(fā)自振蕩模式的電流-頻率

8、依賴關(guān)系;(2)在自振蕩行為發(fā)生之后，峰寬Δf急劇變窄，且隨著IDC的不斷增加而趨于平穩(wěn)狀態(tài)。低阻尼因子S01器件的最小峰寬Δf～9.6MHz，而其他較高阻尼因子器件具有更小的峰寬，Af～3MHz;(3)SHNOs器件的輸出功率P均隨著IDC的增加而以指數(shù)的形式增加，但是隨著器件阻尼因子的增大，P出現(xiàn)了明顯的下降;(4)自振蕩發(fā)生的臨界電流IthDC幾乎隨著阻尼因子的增大而線性增加。(5)對(duì)比分析不同外加磁場(chǎng)與臨界電流IthDC的變化關(guān)

9、系，SHNO器件的阻尼因子越小而在越高的外加磁場(chǎng)下，越有利于器件保持激發(fā)自振蕩狀態(tài)。在同一掃描電流3.2mA下，固定電流掃磁場(chǎng)μ0Hex，(1)自振蕩頻率隨著外加磁場(chǎng)的增加而不斷增加，符合面外磁場(chǎng)與振蕩頻率的關(guān)系規(guī)律，且由于器件的飽和磁化強(qiáng)度均相同，自振蕩峰頻率與外加掃描磁場(chǎng)的變化關(guān)系基本一致;(2)SHNOs器件的輸出功率P與磁場(chǎng)的變化關(guān)系相似，首先隨著外加磁場(chǎng)的增加而增大，在中間磁場(chǎng)時(shí)達(dá)到峰值，最后相對(duì)下降，直到?jīng)]有自振蕩被觀測(cè)到為

10、止。SHNOs器件產(chǎn)生的最大輸出功率隨著阻尼因子的增大而單調(diào)遞減;(3)最小峰寬隨著增加的阻尼因子也呈現(xiàn)單調(diào)遞減的趨勢(shì)。
　　4.Py100-x-yPtxAgy/Pt-SHNO器件-雙納米壓縮結(jié)構(gòu)。
　　在相同的薄膜結(jié)構(gòu)和單納米壓縮器件的基礎(chǔ)上，制備了雙納米壓縮結(jié)構(gòu)的SHNOs器件Py84Ag16/Pt(D01),Py77.5Pt10Ag12.5/Pt(D02),Py75Pt15Ag10/Pt(D03),Py73Pt19Ag

11、8/Pt(D04)。研究了SHNOs器件的性能隨著掃描電流的變化。在同一磁場(chǎng)下，(1)當(dāng)固定SHNOs器件的雙納米壓縮結(jié)構(gòu)間隔(dcc=300nm)時(shí)，隨著阻尼因子的不斷增加，互同步性減弱或消失，輸出功率減弱，峰寬增大。SHNO器件的互同步狀態(tài)的峰寬不但比未同步態(tài)的要小很多，而且互同步狀態(tài)的輸出功率要比兩個(gè)單獨(dú)未同步態(tài)下的輸出功率之和還要大;(2)當(dāng)改變雙納米壓縮結(jié)構(gòu)的間距(dcc=300nm，600nm，900nm)來(lái)觀察SHNOs器

12、件的互同步狀態(tài)變化時(shí)，低阻尼因子的D01器件能夠在間距為300nm和600nm的情況下觀察到互同步狀態(tài)，而稍高阻尼因子的D02器件只能在間距為300nm的情況下觀測(cè)到互同步狀態(tài)，對(duì)器件D03和D04來(lái)說(shuō)，未在任何間距下觀測(cè)到互同步狀態(tài)。
　　5.Py84Ag16/Pt-SHNO器件-多納米壓縮結(jié)構(gòu)。
　　在Py84Ag16/Pt的雙層膜結(jié)構(gòu)上制備一列5個(gè)等間距納米壓縮結(jié)構(gòu)的SHNO器件，與雙納米壓縮結(jié)構(gòu)的Py84Ag16/P