稀土Yb掺杂和自旋泵浦效应对磁性薄膜阻尼因子的影响研究

发布时间：2020-03-29 15:51

【摘要】：自旋电子学器件可以操控电子的自旋,因而它比微电子器件只精确控制电荷而多了一个自由度,因此受到了广泛的关注。自旋电子学器件中所用的磁性薄膜材料的性能决定了对自旋这一自由度控制的效率。而阻尼因子是一个重要的描述薄膜性能的参数,因为它决定了以自旋转移力矩驱动磁化强度翻转为基础的磁性存储器件的功耗和数据写入速率。阻尼因子太大,导致产生足够的自旋转移力矩的临界电流密度很高,因此功耗很大;而阻尼因子太小,又会使磁化强度弛豫时间延长,从一个稳定态翻转到另一个稳定态的时间延长,导致器件的写入速率降低。因此在自旋电子器件中研究阻尼因子的调控方法和调控机制是实现磁性薄膜阻尼因子调控的研究热点,具有重要的研究价值和意义。阻尼因子可以分成本征项和非本征项。其中,阻尼因子的本征项通常与材料中自旋-轨道耦合效应的强弱相关,通过调控自旋-轨道耦合强度来实现本征阻尼因子的调控是利用自旋轨道力矩高效翻转磁化强度的重要手段。近年来在铁磁/重金属异质结中的自旋泵浦效应也是造成磁性薄膜阻尼因子改变的重要非本征机制,通过对自旋泵浦阻尼因子的研究可以反映出自旋流在界面传输的效率,对利用纯自旋流产生的自旋轨道力矩实现磁化强度的翻转具有重要的意义。本文中,我们做了两方面的研究工作,首先研究了稀土元素Yb掺杂对Fe_(65)Co_(35)薄膜阻尼因子的影响,然后通过自旋泵浦效应来研究铁磁金属/非磁金属异质结界面处自旋流的传输对阻尼因子的影响。具体研究工作如下:在第一方面的工作中,因为Yb元素4f轨道电子是完全填充的,因此其轨道磁矩为零,所以理论上它与磁性金属的合金应该具有比较小的本征阻尼因子。为了验证这一思路,我们制备了(Fe_(65)Co_(35))_((1-x))Yb_x薄膜样品,测试了样品的成分、结构、静态和动态磁性参数。结果表明:随着样品中Yb含量的增加,样品的晶格结构逐渐从多晶状态转变为非晶状态。饱和磁化强度和单轴各向异性常数均随Yb含量增加而单调地下降,但是阻尼因子却急剧上升。当温度从100 K变化到400 K时,样品的饱和磁化强度单调地下降,且满足布洛赫T~(3/2)定律。同时样品的各向异性常数也单调地下降。与此同时,在100 400 K温度范围内样品的阻尼因子发生非单调的变化,阻尼因子在200 K左右出现极小值。该结果定性地与基于坎伯斯基力矩相关模型的理论计算结果吻合。通过研究阻尼因子对Yb含量和各向异性常数的依赖关系以及它们随温度的变化规律,我们研究了Yb掺杂对Fe_(65)Co_(35)薄膜阻尼因子的影响以及影响阻尼因子的物理机制。第二个方面的工作中,首先为了研究Cr是否可以作为一种有效的自旋流吸收材料,我们制备了Cr(t_(Cr))/Co样品,并且利用振动样品磁强计和电子自旋共振谱测试了样品在室温下的静态和动态磁性参数。通过分析样品有效阻尼因子随Cr层厚度的变化规律,得到了Cr/Co界面的自旋混合电导率为5.88×10~(19) m~(-2),Cr层的自旋扩散长度为4.69 nm。其次为了研究Al嵌入层能否降低铁磁/Pt异质结中Pt造成的磁近邻效应对自旋流传输的影响,我们制备了FeCoB/Pt(t_(Pt))和FeCoB/Al(t_(Al))/Pt样品,并且测试了样品在室温下的静态和动态磁性参数。通过分析样品有效阻尼因子随t_(Pt)的变化规律,我们得到了FeCoB/Pt界面的自旋混合电导率为1.63×10~(18) m~(-2)。在FeCoB/Al(t_(Al))/Pt系统中,随着从t_(Al)从0增加到0.5 nm,样品的有效阻尼因子迅速从0.028下降到0.016。这种下降趋势说明了Al插入层减弱了层间交换耦合,从而抑制了磁近邻效应。这也说明了将Pt看作是通常的自旋流吸收材料,而不考虑磁近邻效应是不全面的。最后为了说明氧化物插入层是否可以提高Co/Pt和Co/Ta界面的自旋混合电导率,我们生长了Co/CuO_x/Pt(t_(Pt))和Co/CuO_x/Ta(t_(Ta))样品,以及Co/Cu/Pt(t_(Pt))和Co/Cu/Ta(t _(Ta))参考样品。测试了样品的成分、层状结构、静态和动态磁性参数。通过拟合四组样品的有效阻尼因子对t_(Pt)和t_(Ta)的依赖关系,我们得到了样品的自旋混合电导率和自旋扩散长度等信息,发现CuO_x层的引入可使自旋混合电导率提高1.5倍。另外在YIG/CoO_x/Pt(t_(Pt))样品观察到了相似的现象,说明CuO_x和CoO_x氧化层的引入均可增强界面自旋流的传输,为设计高效的自旋电子学器件提供了一种思路。
【图文】：

薄膜阻尼,金属掺杂,参考文献,阻尼因子

大学博士学位论文稀土Yb掺杂和自旋泵浦效应对磁性薄膜阻尼因子自旋-轨道耦合强度的平方成正比。[11]这些研究结果几乎都与性且可以应用于高密度磁记录器件中的材料有关。这些结果中的增加，阻尼因子一般是增加的。[12], [13]为降低自旋转移力矩度而降低阻尼因子的研究工作很少。Woltersdorf 等报道，与 NHo 掺杂阻尼因子大幅度增加相比，Gd 掺杂 NiFe 样品的阻尼。这是因为 Gd 的轨道磁矩为零，电子只占 4f 轨道的一半，4f入的自旋-轨道耦合强度较弱而导致的。[14]

种子层,阻尼因子,磁晶各向异性,多层膜

图 1-2 Ti 作种子层的 Co/Ni 多层膜中本征阻尼因子和磁晶各向异性常数之间的线性关系，引自参考文献[12]第二个方面工作可以帮助理解阻尼因子的调控机制。由于样品的阻尼因子和磁晶各向异性常数都与自旋-轨道耦合强度的二次方成正比，所以预期二者之间具有线性关系。目前已经有许多这方面的实验工作，例如，Song 和合作者报道了在以 Ti 作种子层的 Co/Ni 多层膜样品中矫顽力和垂直各向异性场都随着 Ti 种子层厚度的增加而增加。[12]Ti 种子层厚度的增加影响了样品的晶格结构，，从而
【学位授予单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O484

【参考文献】