YIG基多层膜结构中的自旋输运研究

发布时间：2020-04-02 17:09

【摘要】：随着现代社会的发展和信息技术的进步,传统的微电子学器件已经开始接近其性能极限,如何进一步实现器件的微型化并回避热效应带来的失效等问题,是科研界与工业界面临的新一轮挑战。2010年,科学家们发现通过磁性绝缘体钇铁石榴石(Y3Fe5O12,简称YIG)中的磁振子也可以实现电信号的传输,这一现象引发了人们对绝缘体自旋电子学的研究热潮。基于磁振子的新一代自旋电子学器件,有望实现无热损耗的电路,进而突破传统电子器件的瓶颈。本论文研究对象是脉冲激光沉积法制备的纳米厚度YIG薄膜,通过磁、电输运测试等手段,系统研究了 YIG与不同材料(包括重金属、反铁磁金属、反铁磁绝缘体等)所组成的多层膜结构中的自旋相关输运行为,主要研究内容和结论如下:(1)研究了 YIG/Pt非局域结构中的磁振子输运行为。通过电流正、反向测试的方法,分离出电激发和热激发的磁振子输运信号,即磁振子拖拽磁电阻和自旋塞贝克效应引起的逆自旋霍尔电压信号。实验结果表明,随着电流增大,磁振子拖拽磁电阻所对应的电压信号对电流的依赖关系偏离线性行为。我们认为,当电流密度接近YIG的阻尼补偿点时,YIG中的磁矩将远离平衡态,此时多种磁振子模式处于激发态,不同磁振子模式间的非线性散射使磁矩系统弛豫至热平衡态,这一过程中,阻尼小的长波磁振子更容易激发,于是主导磁振子频率从高频向低频转变,导致了电激发磁振子输运电压对电流的依赖偏离线性曲线。这一推论通过外场对非局域信号的抑制增强效果得到了验证。(2)对比研究了 YIG/Pt结构中的局域和非局域自旋塞贝克效应。通过在不同电流、外场、温度下对这两种效应的定性与定量比较,我们发现,虽然二者都是由电流产生的焦耳热引起,但局域自旋塞贝克效应由界面温度梯度产生,并且受磁振子-声子作用的影响;而非局域自旋塞贝克效应由磁性材料层中的磁振子扩散输运引起,主要由材料的体输运性质决定,对界面依赖不强,并且两种自旋塞贝克效应中主导的磁振子频率有一定的区别。(3)研究了 YIG/IrMn非局域结构中的磁振子拖拽磁电阻与自旋塞贝克效应。同时用反铁磁金属作为磁振子的注入端与探测端,系统研究了非局域信号对电流、磁场、沟道距离等因素的依赖。利用IrMn探测端获得了 YIG中磁振子扩散长度,其结果与使用Pt电极的情形类似。同时,我们在IrMn中获得了更大的电压信号,证实了反铁磁金属在非局域结构中做电极的可行性。此外,我们还发现一维扩散模型不适用于短距离的自旋塞贝克效应。(4)研究了反铁磁绝缘体Cr2O3对YIG/Pt结构中自旋输运的影响。我们在YIG上制备出了非晶态的Cr2O3,通过电输运测试研究了 YIG/Cr2O3/Pt结构中的自旋霍尔磁电阻、磁振子拖拽磁电阻和自旋塞贝克效应的变化规律。结果表明,该结构中自旋霍尔磁电阻效应主要来源于Cr2O3/Pt界面处自旋的吸收与反射,与YIG中的磁矩无关;磁振子拖拽磁电阻随Cr2O3的插入迅速减小为零;自旋塞贝克效应主要由YIG中受热激发的磁振子产生,可通过Cr2O3层输运至探测端。我们的研究表明,即使没有长程有序磁矩,短程的磁极耦合也可以传输磁振子,并测得Cr2O3中磁振子扩散长度为1.6 nm。对比这三种效应的变化,可以发现从Pt界面经Cr2O3不能传输自旋信息到YIG,但从YIG界面经Cr2O3可以传输自旋信息到Pt,可见电激发磁振子与热激发磁振子在界面处的自旋转换效率并不相同。
【图文】：

自旋极化,磁振子,自旋,电流

的量子看作声子，研究者提出了另一种准粒子－磁振子，来描述自旋波激发的逡逑量子［３２］。磁性绝缘体中的自旋流可以用自旋波或磁振子来描述。磁振子同声逡逑子一样，具有能量和波矢，如图２－２所示，红色箭头代表进动的单个自旋，逡逑蓝色箭头表示磁振子的波长。值得注意的是，与电导体中的电子不同，自旋逡逑导体中的磁振子是不守恒的，磁振子系统中的角动量可以传输至声子系统中。逡逑利用平均磁振子寿命Ｔ：ｍ，我们可以定义一个磁振子扩散运动的特征长度逡逑来描述磁振子扩散区运动，即磁振子携带信息丢失的长度；逡逑类似于电子的平均自由程，也可以定义一个磁振子弹道运动的特征长度逡逑入＝邋ＶｍＴｍ来描述磁振子弹道区运动，即磁振子发生碰撞前移动的距离，逡逑其中和分别为磁振子的扩散常数和群速度［３］。逡逑立体图逡逑顶视图逡逑ＧＱＱ００ＯＴ３逡逑图２－２邋—维点阵中磁振子示意图。逡逑自布洛赫提出这一概念以来，不论是就基础研宄还是应用领域而言，都逡逑－

示意图,点阵,振子,磁振子

｛ａ）邋＾ｒ邋ｔＡ逡逑，警，？，丨广逦＾邋丨，．皆逡逑＾４＾％＾逡逑图２－１邋（ａ）纯电荷流（电流）；（ｂ）自旋极化电流；（ｃ）纯自旋流．逡逑铁磁或反铁磁绝缘体中没有电荷的流动，但是其局域电子的角动量可以逡逑通过偶极－偶极相互作用或者交换相互作用进行传输，角动量的传输即可以看逡逑成自旋流这种情况下的纯自旋流我们称之为自旋波。自旋波的概念是由逡逑布洛赫１９３０年提出的【３１］，可以看做是有序磁性材料中相互作用的自旋体系逡逑由于各种激发作用引起的集体运动。如同晶格点阵中将晶格振动这一弹性波逡逑的量子看作声子，研究者提出了另一种准粒子－磁振子，来描述自旋波激发的逡逑量子［３２］。磁性绝缘体中的自旋流可以用自旋波或磁振子来描述。磁振子同声逡逑子一样，具有能量和波矢，，如图２－２所示，红色箭头代表进动的单个自旋，逡逑蓝色箭头表示磁振子的波长。值得注意的是，与电导体中的电子不同，自旋逡逑导体中的磁振子是不守恒的，磁振子系统中的角动量可以传输至声子系统中。逡逑利用平均磁振子寿命Ｔ：ｍ
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.2;TN403

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