界面对薄膜自旋相关的磁性和输运特性的调控
本文选题：半金属 + 磁化动力学 ； 参考：《东南大学》2016年博士论文
【摘要】：随着集成电子器件的尺寸进入10纳米量级,能耗与集成度的矛盾愈显凸出,而电子的自旋属性开启了承载信息的全新模式,其低功耗、高速和量子化特性将迎来后微电子时代电子信息器件的全新变革。其中,对自旋动力学和自旋输运进行调控是实现全自旋流功能器件和自旋微波器件的根本性技术途径。无论是铁磁/半导体自旋极化的注入还是铁磁/重金属的自旋霍尔效应或者自旋泵浦效应,界面对它们的自旋动力学和自旋输运都起着举足轻重的作用。本文以界面调控磁性/非磁异质结的自旋相关的磁性和输运特性为主要研究内容,首先对半金属的ZnxFe3-xO4/Si异质结的局域磁性和磁化进动进行了系统研究,同时也对其电学和自旋相关的输运特性进行了研究。其次,我们提出了用具有大的自旋-轨道耦合作用的稀土元素Tb作为插入层或作为磁性层的掺杂剂调节Py/Pt的界面,围绕着界面对Py/Pt的自旋轨道力矩的影响进行了系统的研究。最后,研究了不同非磁金属层对纳米厚度CoFeB/NM双层薄膜和CoFeB/NM/CoFeB三明治结构薄膜的自旋动力学特性的影响,建立了共线系统的磁化进动模型,研究了它们的自旋泵浦效应。主要研究工作如下:一、利用Zn掺杂Fe3O4在保持其半金属特性基础上调控它的磁性和电学特性,既可以使其磁性和电学性质和半导体匹配,又能够避免加入绝缘的势垒层导致的界面自旋散射。我们利用低浓度的Zn掺杂Fe3O4,形成ZnxFe3-xO4/Si异质结,揭示了其(111)高取向的生长结构,定义了其取向磁各向异性并确定了其数值。利用X-射线磁性圆二色(XMCD)对薄膜的自旋磁矩和轨道磁矩的研究,表明薄膜的磁性和Zn2+离子的占位有很大的关联,Zn掺杂对Fe3O4实现了轨道和自旋磁矩比值的调控。这个结论得到了角度依赖的铁磁共振测量的支持,ZnxFe3-xO4薄膜的磁化阻尼因子随着Zn含量增加而变化。另外,我们发现ZnxFe3-xO4/Si异质结表现出肖特基接触,肖特基势垒随Zn离子含量增加而增加,这为ZnxFe3-xO4的极化自旋流注入半导体Si提供了可能。二、随着自旋轨道耦合在自旋电子学中研究的逐渐深入,越来越多的研究表明自旋轨道力矩是一个非常有效的操控自旋动力学特性的新途径。我们利用二阶的平面霍尔效应的方法研究了 Py/Tb(d)/Pt薄膜中稀土 Tb插入层对对其自旋轨-道力矩的影响。研究结果表明随自旋轨道耦合作用强的稀土元素Tb界面层厚度的增加,Py/Tb(d)/Pt薄膜的自旋-轨道场逐渐减小,这说明Tb界面层减弱了 Pt层产生的自旋流对铁磁层Py的作用。此外,我们提出利用Tb掺杂Py系统地调控Py1-xTbx磁性和费米面能带结构,进而可控调节Pyi-xTbx/Pt的界面,研究发现Tb掺杂可以明显增大薄膜的自旋轨-道场。我们的实验不仅对界面对自旋-轨道力矩的影响进行了系统的研究,同时也有助于稀土元素在自旋轨道耦合相关的研究中发挥更大的作用。三、磁性/非磁异质结的自旋泵浦效应是一个非局域化过程,其自旋动力学除了与磁性薄膜和非磁薄膜的内禀特性有关,界面的贡献也十分突出。我们详细讨论了在CoFeB/NM(Pt、W、Ta和Cu)异质结体系中由于自旋泵浦效应产生自旋流诱导的阻尼因子增强效应,得到了非磁金属对双层薄膜界面自旋泵浦效应贡献,并确定了 Pt、W、Ta、Cu非磁金属的自旋散射长度及它们与CoFeB界面的自旋混合电导。另外,我们研究了共线的CoFeB/NM/CoFeB三明治薄膜结构的磁化阻尼,发现额外引入的界面增大自旋回流的几率,实际作用上相对于增大NM层的自旋扩散长度。基于界面自旋泵浦-自旋流理论建立了共线体系"NM/FM/NM"结构的自旋动力学模型,我们提出了有效自旋扩散长度的概念。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O484
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，本文编号：1759578
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