复杂磁结构的超快自旋动力学研究

发布时间：2020-10-18 17:39

　　 随着科学技术的进步,磁存储的存储密度和存储信息的读写速度极限不断被突破,而作为磁存储最常用的储存介质,磁性薄膜得到越来越多研究者的关注。新型纳米磁性随机存储器(Magnetic Random Access Memory,MRAM)被预为“理想的存储”,选取最适合MRAM应用的磁性薄膜成为发展高密度、低功耗和高稳定性存储器件的关键。当前大量研究工作关注于如何提升基于自旋转移力矩(Spin Transfer Torques,STT)的MRAM的性能,其中一项重要的研究方向是通过减小磁性薄膜材料的阻尼系数来减小STT-MRAM的临界翻转电流J_c。基于时间分辨的磁光克尔效应(TR-MOKE)是研究超快自旋动力学的重要手段之一,通过分析超快动力学的进动过程来探讨阻尼系数的影响因素。本论文着重针对两种复杂磁性薄膜结构进行超快自旋动力学研究,从多方面探究阻尼系数与垂直各向异性,样品成分和温度的依赖关系。主要结果包括以下几个方面:一、[Pt/Co]_3/MnIr多层膜结构交换偏置大小的调控和超快自旋动力学研究。通过改变非磁性层Pt、磁性层Co以及反铁磁层MnIr的厚度,有效地调控体系的交换偏置场大小;利用TR-MOKE技术对系列样品进行超快自旋动力学过程的研究,研究发现:泵浦激光能量能显著影响样品的垂直磁各向异性和有效阻尼因子。此外,通过改变Pt层和Co层厚度,发现Pt厚度为0.5到1.5 nm,Co厚度为0.8到2.4 nm的变化范围内时,饱和阻尼因子随垂直各向异性的增大而增大。尽管交换偏置的大小与进动阻尼并没有直接的联系,但我们唯象的认为交换偏置不利于阻尼因子的减小。二、稀土-过渡金属组成的非晶薄膜TbFeCo超快自旋动力学研究。当Tb含量从10%到33%变化时,超快退磁幅度随Tb含量增大而增大。证明了在富Fe Co样品中时间尺度为几十皮秒的克尔信号的减小是进动过程,由于Tb阻尼因子很大导致进动很快耗散。通过进一步的减小Tb的含量到6%,我们观察到更多周期的振荡,表明样品的阻尼与Tb的含量有直接依赖关系。最后,通过800 nm和400 nm两种不同波长的探测光,实现了同时探测FeCo和Tb单一亚晶格超快动力学过程,对比发现Tb的退磁比Fe Co慢(晚)200 fs以上,且FeCo磁矩进入弛豫恢复过程后Tb仍然在退磁。三、温度和电场对TbFeCo磁性质的调控。通过对富Fe Co的TbFe Co样品分别进行降温和加温实验,我们发现其阻尼因子强烈依赖于测量温度。在高温情况下,我们观察到多个周期明显的振荡,表明高温能破坏Tb与Fe Co之间的耦合。通过测量不同温度不同磁场下的动力学曲线,探究进动幅度与外磁场的关系,研究发现当外磁场与垂直各向异性场相等时,进动幅度取得极大值(外磁场平行于膜面)并利用两种不同的进动模式来合理解释正负磁场下进动频率的相反变化和相位偏移。此外,采用铁电材料PMN-PT和具有磁致伸缩效应的TbFeCo制备铁电/铁磁(FE/FM)复合结构,通过电场来调控TbFeCo薄膜的磁性质,探究发现电场能影响TbFeCo的垂直磁各向异性。
【学位单位】：华东师范大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TP333
【部分图文】：

华东师范大学博士学位论文的电阻被改变，分别对应于稳定的平行和反平行方向的结电阻，即定义了二进制存储器的状态。2006 年 7 月，飞思卡尔公司开始销售第一个 4 Mb 的商业 MRAM 芯片，一年后东芝和 NEC 公司宣布拥有 16 Mb，34 ns 读写周期的 MRAM 芯片[4]。显然，有了合适的新技术概念的引入，大幅度提高数据的读写速度变得只是时间问题。

正如本文所展示的那样，它的数据处理潜力远远超出了其简单加热的功能。随着秒激光的应用，超快磁动力学成为推动磁科学技术发展的最热门的研究领域。在究中，超快光学操控已经成为磁场脉冲的真正替代者，而飞秒激光操控亚皮秒量化翻转使得磁存储进入了一个崭新的时代。.2 磁动力学.2.1 不同磁动力学过程的特征时间首先，我们有必要先了解磁动力学过程中会发生哪些物理过程以及它们所对应尺度，图 1.2 展示了在特征时间尺度上发生的不同磁动力学过程[6]。该时间尺度海森堡方程 中的相互作用能 来决定。

时间尺度从几 ns 到几百微秒（μs）。.2 激光激发超快磁动力学当超短激光脉冲与磁有序的铁磁材料相互作用时会发生什么？这个问题吸引研究者来进行探究。关于这个问题，在 1996 年，Beaurepaire 等[7]报道了一篇工作。他们发现 Ni薄膜被 60 fs的激光脉冲激发后，发生了亚皮秒量级的退磁过出三温度模型（3T-model）来解释。之后，虽然这一退磁过程已经被其他铁磁属（Fe，Co）及其合金所证实[8]，但关键问题是系统的磁矩为何可以如此迅速quenching），而它的总角动量却保持守恒。在激光激发之前，同向排列电子的角动量；激光激发后，角动量会转移到另一个自由度，如电子或晶格，来补偿损失[9]。图 1.3 给出了铁磁材料被超短激光脉冲激发时能够观察到的一系列现我们通过在不同自由度之间的角动量转移机制来进行讨论。
【参考文献】

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本文编号：2846601