铁磁薄膜自旋塞贝克效应研究

发布时间：2019-07-24 15:59

【摘要】：自旋塞贝克效应指处在温度梯度中的铁磁体会诱导形成自旋电压,一经发现就成为自旋电子学领域中最受人们关注焦点之一。然而铁磁导体中的自旋塞贝克效应的具体大小仍然存在争议,另外人们对自旋塞贝克效应和自旋霍尔磁电阻性研究几乎没有文献报道,这些问题对于自旋塞贝克效应和自旋霍尔磁电阻的研究具有重大意义和研究价值。本文研究了Pt/Py(Pt/Ni81Fe19)结构中的自旋塞贝克效应,接着在Pt/YIG(Pt/Y3Fe5O12)结构中测量了由焦耳热诱导共存的自旋塞贝克效应和自旋霍尔磁电阻。首先,本文利用自旋扩散方程详细分析了Pt/Py结构中自旋塞贝克效应产生的自旋电压的分布情况,从理论上得出其逆自旋霍尔电压大小随Py厚度的变化规律为:Py厚度越厚,其逆自旋霍尔电压越大,然后趋于定值。同时,考虑了该结构的短路效应,通过有限元数值分析方法模拟分析了各个样品短路效应的具体大小。得知,Py厚度越厚,Pt上的逆自旋霍尔电压受到Py的短路越明显。综合考虑这两者因素,制备了不同Py厚度的样品,实验上排除了反常能斯特效应和平面能斯特效应,测量并计算了Pt/Py结构真实逆自旋霍尔电压的大小,结合理论反推得到了Py的自旋扩散长度为18nm,为铁磁体中自旋扩散长度的测量提供了新的方法。然后,本文详细研究了在Pt/YIG结构中的由焦耳热诱导共存的自旋塞贝克效应和自旋霍尔磁电阻。我们设计了电流自加热实验装置,测量了不同Pt厚度的Pt/YIG结构的逆自旋霍尔电压和自旋霍尔磁电阻,利用这两者对电流奇偶依赖关系不同,分离了逆自旋霍尔电压和自旋霍尔磁电阻,并研究了这两者与磁场和电流夹角θ的关系。利用Pt/Cu/YIG结构排除Pt被YIG的磁化影响,确定了该磁阻是自旋霍尔磁电阻。研究发现:Pt越薄,逆自旋霍尔电压和自旋霍尔磁电阻越大;自旋塞贝克效应是关于角度θ的cos?关系,而自旋霍尔磁电阻是关于角度θ的sin2θ关系。为了明确自旋塞贝克效应和自旋霍尔磁电阻之间的联系,着重计算了各自自旋流与电流的关系:自旋塞贝克效应的自旋流是电流的二次关系,与温度有关;而自旋霍尔磁电阻的自旋流是电流的一次关系,与直流电流在界面处的自旋转移矩有关。通过以上结果和分析,自旋塞贝克效应和自旋霍尔磁电阻能够共存于同一结构中而不相互影响,这可能是因为自旋塞贝克效应产生的自旋流极化方向与自旋霍尔磁电阻产生自旋流的极化方向垂直。
【图文】：

MR∽11.3% ， 4.2K 时 达 42.7% ， 巨 磁 阻 MR 的 数 学 定 义 一 般 为 ：MR ( ( 0) (H)) (0)。图1-2 巨磁阻效应简明物理模型图Figure1-2 Simple physical principles of Giant Magneto-resistance巨磁阻效应可以利用自旋相关散射的双电流模型来说明，其中比较简化的物理图像是等效电阻模型。如图1-2所示，金属多层膜巨磁电阻效应，其中的薄膜厚度一般都远小于电子自旋扩散长度，蓝色为铁磁性薄膜，，黄色为非铁磁性薄膜，磁性薄膜中的箭头表示磁化方向。当铁磁薄膜中的磁化方向相同时，即为平行结构。电子通过此结构时，如果电子的自旋方向与磁化方向相同，电子能够较容易穿过，呈现出低电阻态R ；如果电子的自旋方向与磁化方向相反，电子受到铁磁性薄膜的自旋散射不易通过

武汉理工大学硕士论文9平行膜面，如图1-3(a)所示。接着，自旋流会在膜面处反射回膜内，如图1-3(b)所示。邻近Pt薄膜的表面，这种反射会造成非平衡的自旋累积和自旋扩散，如图1-3(f)所示。这样由自旋霍尔效应和逆自旋霍尔效应共同作用的结果，Pt中会有额外的同原始电流方向相同的电流，这种额外的电流在具有强自旋轨道耦合的薄膜材料中是不可避免的，并且其产生跟自旋有关，如图1-3(c)所示。但是，当Pt表面还有一层铁磁绝缘体（YIG）时，此时的情况将完全不同。YIG的磁化强度M和Pt中传导电子自旋极化 会有角动量的相互交换
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TB383.2;TM271

【参考文献】

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本文编号：2518731