納米結(jié)構(gòu)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(xué)研究的重要組成部分，其中軟磁材料因?yàn)槠涓唢柡痛呕瘡?qiáng)度和低矯頑力等特點(diǎn)也廣泛的應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。近年來，隨著自旋電子學(xué)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(jié)構(gòu)被大量的應(yīng)用于如自旋泵浦效應(yīng)，自旋霍爾效應(yīng)，自旋塞貝克效應(yīng)等研究。坡莫合金作為經(jīng)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(xué)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(duì)較弱，造成

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

3、內(nèi)稟和外稟兩類，內(nèi)稟是由材料本身的自旋-軌道相互作用引起的，強(qiáng)的內(nèi)稟自旋軌道耦合作用會(huì)表現(xiàn)出強(qiáng)的自旋泵浦效應(yīng)和自旋霍爾效應(yīng)等;外稟則是由于摻雜等外因引起的自旋軌道耦合加強(qiáng)，如Skew Scattering和Side Jump等等，外稟自旋軌道耦合也會(huì)表現(xiàn)出強(qiáng)的自旋霍爾效應(yīng)，但是不會(huì)產(chǎn)生大的自旋泵浦效應(yīng)。隨著軍事及通訊產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，軟磁材料在高頻率段的應(yīng)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(dǎo)

4、致材料在高頻下會(huì)有較大的磁滯損耗和渦流損耗，不利于應(yīng)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(jié)構(gòu)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(dǎo)率，高磁化強(qiáng)度和大電阻率的高頻軟磁材料。本研究主要內(nèi)容包括：
　　⑴坡莫合金/稀土異質(zhì)結(jié)構(gòu)的界面自旋泵浦效應(yīng)研究。制備了Py/RE，Py/RE/Py兩個(gè)結(jié)構(gòu)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(duì)Py/RE的界面泵浦效應(yīng)，開展了對(duì)雙層膜和三層膜的磁化動(dòng)力阻尼的研究，同時(shí)比較Py/RE以及Py/RE/Py的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，探索了多界面對(duì)自旋泵浦效應(yīng)和磁化動(dòng)力阻尼的影響。得到的研究結(jié)果如下：在Py/Tb(Py/Tb/Py)系列樣品中，對(duì)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(qiáng)度隨Tb增厚而減小，從787emu/cm3降低到700emu/cm3左右;而對(duì)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(huì)在dTb≥12nm時(shí)出現(xiàn)雙Hc現(xiàn)象，說明三層膜樣品中的兩個(gè)坡莫合金層的矯頑力出現(xiàn)差異，可能是由于Py/Tb界面和Tb/Py界面對(duì)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(qiáng)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(huì)被相鄰的Py誘導(dǎo)出磁矩，因此對(duì)薄膜的磁性不會(huì)造成影響，反觀Tb的居里溫度與室溫接近，由于緊鄰效應(yīng)誘導(dǎo)的反方向磁矩會(huì)降低薄膜的Ms；用變頻VNA-FMR鐵磁共振對(duì)樣品的共振場和共振線寬進(jìn)行研究分析。通過對(duì)共振場和共振線寬的擬合發(fā)現(xiàn):對(duì)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(nèi)的單軸各向異性常數(shù)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(nèi)單軸各向異性沒有顯著變化，共振線寬會(huì)隨dNd增加而增大最終趨于飽和；根據(jù)線寬和阻尼的關(guān)系式得出兩個(gè)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(jìn)行擬合。對(duì)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(jù)擬合結(jié)果，雙層膜和三層膜的自旋擴(kuò)散長度均約為λ=6nm，界面混合電導(dǎo)則分別為g↑↓Py/Tb=50.5×1015cm-2和58.2×1015cm-2。對(duì)Py-Nd系列，其阻尼變化情況和Tb時(shí)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(kuò)散長度約為λ=11nm，界面混合電導(dǎo)約為g↑↓Py/Tb=25×1015cm-2左右；從擬合結(jié)果看，Tb和Nd的自旋泵

10、浦效應(yīng)都很明顯:Nd的自旋軌道耦合要比常見的強(qiáng)L-S耦合元素如Pt，Pd更強(qiáng)，因?yàn)槠溆懈蟮慕缑婊旌想妼?dǎo)，而Tb的自旋軌道耦合則更強(qiáng)，不僅自旋擴(kuò)散長度要更小，界面混合電導(dǎo)也是Nd的兩倍左右。此外，我們提出了有效自旋擴(kuò)散長度的概念，三層膜引入的第二個(gè)RE/Py界面會(huì)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(kuò)散長度。
　?、艭u基材料摻雜Ta引起的強(qiáng)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(gòu)成的雙層膜結(jié)構(gòu)，通過鐵磁共振和平面霍爾效應(yīng)的測量方法對(duì)薄膜的自旋軌道耦合作用進(jìn)行了研究，得到結(jié)果如下：利用磁控濺射儀制備了Py/Cu-Ta的雙層膜結(jié)構(gòu)，其中采用Ti作為緩沖層，SiO2作為保護(hù)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(shí)現(xiàn)不同摻雜成分的Cu-Ta薄膜層，質(zhì)量組分依次為7％，10％和12％；自旋軌道耦合作用可以分為內(nèi)稟和外稟兩類，內(nèi)稟

12、來自于非金屬本身由于f電子引起的強(qiáng)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(qiáng)。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(yīng)，結(jié)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(yīng)，Cu-Ta薄膜的內(nèi)稟自旋軌道耦合作用很弱；采用平

13、面霍爾效應(yīng)的方法來研究不同成分的Py/Cu-Ta雙層膜的自旋霍爾效應(yīng)。利用光刻掩膜技術(shù)刻蝕成Hall Bar結(jié)構(gòu)進(jìn)行輸運(yùn)測量，推導(dǎo)計(jì)算并擬合橫向電壓值，最終得到自旋霍爾系數(shù)和自旋霍爾角。研究發(fā)現(xiàn)Cu-Ta能產(chǎn)生和Pt大小近似的較強(qiáng)的自旋霍爾效應(yīng)，在Cu-Ta薄膜厚度為2nm左右時(shí)，摻雜成分最低7％的Cu-2Ta薄膜的自旋霍爾角可以達(dá)到0.066，這說明Cu基中摻雜Ta元素確實(shí)增強(qiáng)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(jìn)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(yīng)用于高頻下的軟磁材料，得到研究結(jié)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(duì)樣品進(jìn)行不同條件的退火。退火時(shí)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(jìn)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(duì)Fe80Hf9Cr8B3和Fe85Hf10Cr2B3兩個(gè)系列樣品的形貌結(jié)構(gòu)表征和靜態(tài)磁性的測量，發(fā)現(xiàn)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(shí)后表現(xiàn)出最好的靜磁特性，其矯頑力Hc為0.56Oe，飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs可以達(dá)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(dá)到29nm左右時(shí)產(chǎn)生了交換耦合作用，使得樣

16、品表現(xiàn)出最小的矯頑力；為了進(jìn)一步驗(yàn)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(dǎo)率也進(jìn)行了測量分析。電阻率最大發(fā)生在500℃退火1小時(shí)的樣品中，約為200μΩ·cm，靜磁特性最好的600℃退火1.5小時(shí)的樣品電阻率為165μΩ·cm，這一結(jié)果雖然沒有預(yù)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(gè)數(shù)量級(jí)，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