幾種磁性微結(jié)構(gòu)的自旋動(dòng)力學(xué)及兩種磁性薄膜的物性研究.pdf

1、1996年自旋轉(zhuǎn)移矩效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著自旋電子學(xué)的重大進(jìn)步。這一發(fā)現(xiàn)深化了人們對(duì)磁系統(tǒng)中電子輸運(yùn)性質(zhì)和磁化狀態(tài)之間關(guān)聯(lián)的理解。自旋轉(zhuǎn)移矩效應(yīng)正在更新傳統(tǒng)的磁化理論，因?yàn)樵趤單⒚壮叽绱畔到y(tǒng)中，自旋轉(zhuǎn)移矩的磁化效應(yīng)遠(yuǎn)大于電流產(chǎn)生的附加磁場(chǎng)的磁化效應(yīng)?？紤]到器件的不斷微型化，自旋轉(zhuǎn)移矩效應(yīng)擁有巨大的應(yīng)用前景。微磁結(jié)構(gòu)例如磁疇和磁疇壁是傳統(tǒng)存儲(chǔ)技術(shù)的重要元素，并且可能在未來的應(yīng)用中占有重要地位。自旋轉(zhuǎn)移矩效應(yīng)的存在使得電流對(duì)磁系統(tǒng)的操控成為現(xiàn)實(shí)，

2、在新型、高性能的非揮發(fā)性存取存儲(chǔ)、硬盤存儲(chǔ)、納米振蕩器、甚至邏輯電路中具有重大的應(yīng)用潛力。為了實(shí)現(xiàn)這些應(yīng)用還要開展很多基礎(chǔ)研究工作。自旋波是磁系統(tǒng)中最基本的激發(fā)模式，有希望應(yīng)用于低能耗的信息處理器件，但是仍有很多基本問題有待解決。這些事實(shí)是本論文研究工作的直接原因。本文研究了多層膜結(jié)構(gòu)中鐵酸鉍薄膜的磁性，還研究了另一種具有非共線磁結(jié)構(gòu)的材料—β相二氧化錳。主要研究結(jié)果如下：
　　 ⑴垂直注入的自旋極化電流作用下磁反渦旋的自旋動(dòng)力

3、學(xué)。系統(tǒng)研究了自旋極化電流作用下磁性反渦旋的動(dòng)力學(xué)行為，揭示了反渦旋核的兩種激發(fā)模式：螺線進(jìn)動(dòng)模式和翻轉(zhuǎn)模式，前者對(duì)應(yīng)較低的激發(fā)電流，后者對(duì)應(yīng)較高的激發(fā)電流，即存在一個(gè)閾值電流。螺線進(jìn)動(dòng)可以用Thiele方程加以描述，該方程說明了螺線軌道的畸變，軌道畸變歸因于樣品邊界處出現(xiàn)的磁結(jié)構(gòu)，它們的出現(xiàn)改變了原有的回復(fù)力。螺線進(jìn)動(dòng)模式的末態(tài)為疇壁態(tài)或者渦旋態(tài)，決定于激發(fā)電流密度。螺線進(jìn)動(dòng)的頻率依賴于樣品的幾何尺寸。在臨界半徑以內(nèi)，偏離中心的反渦旋

4、可以通過馳豫回歸平衡位置，即樣品中心。對(duì)于翻轉(zhuǎn)模式，反渦旋極性翻轉(zhuǎn)的時(shí)間尺度約200 ps，翻轉(zhuǎn)事件通過兩個(gè)布洛赫點(diǎn)的原位注入、傳播和湮滅來實(shí)現(xiàn)，而不是通過著名的渦旋—反渦旋對(duì)的產(chǎn)生和湮滅來實(shí)現(xiàn)。布洛赫點(diǎn)的注入起源于四重圓渦旋陣列的壓縮。對(duì)于不同的激發(fā)電流，隨著電流密度的降低翻轉(zhuǎn)時(shí)間逐漸延長(zhǎng)。當(dāng)反渦旋極性翻轉(zhuǎn)后，撤除外激發(fā)電流，發(fā)生翻轉(zhuǎn)事件的系統(tǒng)會(huì)馳豫至平衡態(tài)，平衡態(tài)的磁結(jié)構(gòu)取決于激發(fā)參數(shù)，即電流密度。
　　 ⑵核殼磁圓盤中的受

5、迫磁渦旋及其自旋極化電流作用下的極性翻轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)。提出了—種由軟磁圓環(huán)和嵌套在其中心的硬磁圓柱構(gòu)成的核殼結(jié)構(gòu)的磁圓盤。由于能量的重新分布，硬磁圓柱上會(huì)形成一個(gè)受迫磁渦旋。研究了電流作用下受迫磁渦旋的動(dòng)力學(xué)，發(fā)現(xiàn)由于限制效應(yīng)，渦旋核的螺線進(jìn)動(dòng)受到抑制，并且核的翻轉(zhuǎn)事件不經(jīng)過渦旋—反渦旋對(duì)的調(diào)制完成，而是通過一個(gè)傳播的布洛赫點(diǎn)的輔助完成。依賴于電流密度，這種布洛赫點(diǎn)調(diào)制的翻轉(zhuǎn)過程呈現(xiàn)不同的模式(A-模式、B-模式和C-模式)。因模式轉(zhuǎn)化，翻轉(zhuǎn)

6、時(shí)間隨電流密度非單調(diào)變化。對(duì)于直徑為80 nm的圓盤，A-模式給出非?！案蓛簟钡姆D(zhuǎn)過程。
　　 ⑶垂直注入的自旋極化電流對(duì)自旋波傳播特性的調(diào)控。通過理論分析和數(shù)值模擬研究了垂直注入線狀自旋閥的電流對(duì)自由層中自旋波的傳播特性的調(diào)制。理論分析表明，Slonczewski自旋轉(zhuǎn)移矩可以引起自旋波多普勒效應(yīng)并調(diào)控自旋波的衰減，而類場(chǎng)自旋矩貢獻(xiàn)很小以至可以忽略不計(jì)。微磁模擬證實(shí)了以上理論預(yù)測(cè)，并且表明過閾值電流作用下自旋波不穩(wěn)定。通過局

7、域的獨(dú)立電流可以選擇性地調(diào)制自旋波的衰減。
　　 ⑷BiFeO3和MnO2薄膜磁性的研究。①三層Bi3.25La0.75Ti3O12/BiFeO3/Bi3.25La0.75Ti3O12結(jié)構(gòu)中BiFeO3的磁性。利用化學(xué)溶液沉積法在(111)Pt/Ti/SiO2/Si襯底上成功制備了BLT/BFO/BLT三層膜。相對(duì)于單層BFO薄膜，三層膜呈現(xiàn)減弱的鐵磁性和降低的磁化強(qiáng)度，這是因?yàn)檠蹩瘴皇艿揭种?，使得BFO中磁矩間的傾斜角減小和雙

8、交換相互作用減弱。在5 K的溫度，BLT/BFO/BLT三層膜的飽和磁化強(qiáng)度為18 emu/cm3；在300 K，其值為3.6 emu/cm3。三層膜中的應(yīng)變沒有顯著增強(qiáng)三層膜的磁化強(qiáng)度。在整個(gè)頻率范圍，三層膜具有良好的介電特性。②等離子體輔助分子束外延生長(zhǎng)的MnO2薄膜的磁性。利用等離子體輔助分子束外延技術(shù)在(001)LaAlO3和(001)MgO襯底上生長(zhǎng)了單晶β-MnO2薄膜。XPS和Raman光譜表明薄膜為β-MnO2，其中Mn