界面调制Dzyaloshinskii-Moriya相互作用的布里渊光散射研究
发布时间：2021-03-26 04:21
磁斯格明子作为一种特殊的拓扑磁结构,由于其可以被自旋极化电流操控,并具备在超低电流密度下实现传输等独特优势,有望成为下一代自旋电子学器件的载体。产生斯格明子的根本物理作用是Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）。与海森堡交换作用不同,DMI让相邻自旋趋于具有手性选择的倾斜排布,从而可以形成斯格明子等拓扑磁结构。因此,寻找一种有效的研究方法实现DMI的调制就成为了亟待解决的问题。我们利用了界面DMI对界面波矢选择的静磁表面自旋波（MSSW）本征频率的影响,通过布里渊光散射（BLS）对磁性薄膜中的静磁表面波色散关系进行表征,实现了DMI的定量测试。结果表明,对于Pt/Co薄膜,衬底和非5d重金属缓冲层均可实现对界面DMI的调制。得到的主要创新性成果如下:1.在不具有5d重金属界面的FeNi薄膜中,利用BLS研究了不同衬底对FeNi薄膜的MSSW本征频率的影响,Stokes/anti-Stokes（S/AS）峰强比与外磁场、自旋波波矢以及衬底的介电常数的依赖关系。发现S/AS峰强比随着面内磁场的减小和波矢量的增加而增加,同时,峰强比与衬底的介电常数成正相关的关系。并未在...
【文章来源】：兰州大学甘肃省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
(a)拓扑态的Skyrmion球，(b)Néel型Skyrmion的二维投影，(c)Bloch型Skyrmion的二维投影
兰州大学硕士研究生学位论文界面调制Dzyaloshinskii-Moriya相互作用的布里渊光散射研究6要考虑强自旋轨道耦合以外，还需要考虑3d过渡金属与5d重金属的自旋极化率和能带填充情况，一般认为非占据态的电子自旋更容易参与贡献DMI[9,51]。图1-2Fert-Levy模型中的铁磁/重金属的DMI的三点相互作用原理图，其中灰色的上层代表铁磁层，蓝色的下层代表重金属层[16]。1.3.2Rashba型DMI另一种模型是由Rashba于1960年提出[52]的，由于氧化物/铁磁体系或者石墨烯/铁磁异质结界面通常不存在强自旋轨道耦合，但是仍能观察到DMI现象，Rashba型DMI就被用于解释这类异质结体系界面DMI的起源[53-62]，一般认为异质结界面处电子态的杂化使得空间电荷分布不均匀，产生了电势梯度，引起了Rashba效应的自旋轨道耦合[34,55,57,59]，进而导致了DMI，对于这类体系，人们可以通过施加偏置电场对DMI的强度和方向进行调控[34,60]。以上对于非对称磁性多层膜异质结中手性DMI起源的理论模型解释均基于自旋轨道耦合，普遍认为自旋轨道耦合对DMI的产生起了关键的作用，但由于目前在实验上还没有找到一个能同时将自旋轨道耦合的强度/符号与DMI的强度/符号紧密联系起来的可观测物理量[9]，因而界面DMI的物理机制仍有待进一步的研究。1.4DMI的测试手段如何量化DMI的强度以及符号至关重要，在不同的体系中，人们采用了不同的方式测试DMI。DMI归根结底是自旋之间的相互作用，相当于施加了一个等效场影响自旋进动，由此，人们可以通过分辨等效场间接地表征DMI。比如对于在DMI作用下样品磁畴会发生从非手性的Bloch壁逐渐转化为手性的Néel壁的情况，此时
兰州大学硕士研究生学位论文界面调制Dzyaloshinskii-Moriya相互作用的布里渊光散射研究9方面，DMI的强度与饱和磁化强度成正相关，缓冲层引入的优质界面减少了Co/Pt界面的混合，使得薄膜的饱和磁化强度Ms更接近块体Co，从而实现了DMI的增强。图1-3左侧显示的是根据洪特第一定律展示的几种过渡金属3d轨道自旋的填充情况；右侧是3d态相对于重金属W衬底的5d态的自旋分裂的能带位置[76]。XinMa[31]等人研究了界面DMI对重金属层厚度的依赖关系。他们在Ta/CoFeB/MgO体系中CoFeB/MgO界面插入了厚度梯度变化的楔形Pt(原子层尺度的厚度)。由于位于铁磁层两侧的Ta和Pt拥有相反的DMI矢量，整体的DMI由两者共同作用产生。随着Pt原子层数的增加，参与Fer-Levy三点交换作用的Pt原子数量增加，CoFeB/Pt界面DMI增强。后来，S.Tacchi[32]在更大范围内改变Pt的厚度(nm级)研究DMI的变化规律，结果显示：DMI强度先增加后饱和，验证了界面DMI仅发生在位于界面处几个原子层的范围内。除了上述对Fert-Levy型DMI的调控研究，人们同样研究了Rashba型DMI的界面调控。AnniCao[83]等人研究了Pt/Co/MgO体系中DMI与氧化物覆盖层MgO厚度的关系，DMI会先随MgO厚度的增加而增加，这是由于MgO/Co界面Co发生
【参考文献】：
期刊论文
[1]磁性斯格明子的研究现状和展望[J]. 刘艺舟,臧佳栋. 物理学报. 2018(13)
[2]斯格明子电子学的研究进展[J]. 赵巍胜,黄阳棋,张学莹,康旺,雷娜,张有光. 物理学报. 2018(13)
[3]自旋波的各种模式及其实验探测方法[J]. 段秀丽,王选章. 哈尔滨师范大学自然科学学报. 2005(01)
[4]布里渊散射研究In-BCVIG单晶的体磁振子和偶极——交换磁振子[J]. 刘玉龙,张昊,朱恪,萧季驹,李泽民. 光散射学报. 1997(Z1)
本文编号：3100939
【文章来源】：兰州大学甘肃省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
(a)拓扑态的Skyrmion球，(b)Néel型Skyrmion的二维投影，(c)Bloch型Skyrmion的二维投影
兰州大学硕士研究生学位论文界面调制Dzyaloshinskii-Moriya相互作用的布里渊光散射研究6要考虑强自旋轨道耦合以外，还需要考虑3d过渡金属与5d重金属的自旋极化率和能带填充情况，一般认为非占据态的电子自旋更容易参与贡献DMI[9,51]。图1-2Fert-Levy模型中的铁磁/重金属的DMI的三点相互作用原理图，其中灰色的上层代表铁磁层，蓝色的下层代表重金属层[16]。1.3.2Rashba型DMI另一种模型是由Rashba于1960年提出[52]的，由于氧化物/铁磁体系或者石墨烯/铁磁异质结界面通常不存在强自旋轨道耦合，但是仍能观察到DMI现象，Rashba型DMI就被用于解释这类异质结体系界面DMI的起源[53-62]，一般认为异质结界面处电子态的杂化使得空间电荷分布不均匀，产生了电势梯度，引起了Rashba效应的自旋轨道耦合[34,55,57,59]，进而导致了DMI，对于这类体系，人们可以通过施加偏置电场对DMI的强度和方向进行调控[34,60]。以上对于非对称磁性多层膜异质结中手性DMI起源的理论模型解释均基于自旋轨道耦合，普遍认为自旋轨道耦合对DMI的产生起了关键的作用，但由于目前在实验上还没有找到一个能同时将自旋轨道耦合的强度/符号与DMI的强度/符号紧密联系起来的可观测物理量[9]，因而界面DMI的物理机制仍有待进一步的研究。1.4DMI的测试手段如何量化DMI的强度以及符号至关重要，在不同的体系中，人们采用了不同的方式测试DMI。DMI归根结底是自旋之间的相互作用，相当于施加了一个等效场影响自旋进动，由此，人们可以通过分辨等效场间接地表征DMI。比如对于在DMI作用下样品磁畴会发生从非手性的Bloch壁逐渐转化为手性的Néel壁的情况，此时
兰州大学硕士研究生学位论文界面调制Dzyaloshinskii-Moriya相互作用的布里渊光散射研究9方面，DMI的强度与饱和磁化强度成正相关，缓冲层引入的优质界面减少了Co/Pt界面的混合，使得薄膜的饱和磁化强度Ms更接近块体Co，从而实现了DMI的增强。图1-3左侧显示的是根据洪特第一定律展示的几种过渡金属3d轨道自旋的填充情况；右侧是3d态相对于重金属W衬底的5d态的自旋分裂的能带位置[76]。XinMa[31]等人研究了界面DMI对重金属层厚度的依赖关系。他们在Ta/CoFeB/MgO体系中CoFeB/MgO界面插入了厚度梯度变化的楔形Pt(原子层尺度的厚度)。由于位于铁磁层两侧的Ta和Pt拥有相反的DMI矢量，整体的DMI由两者共同作用产生。随着Pt原子层数的增加，参与Fer-Levy三点交换作用的Pt原子数量增加，CoFeB/Pt界面DMI增强。后来，S.Tacchi[32]在更大范围内改变Pt的厚度(nm级)研究DMI的变化规律，结果显示：DMI强度先增加后饱和，验证了界面DMI仅发生在位于界面处几个原子层的范围内。除了上述对Fert-Levy型DMI的调控研究，人们同样研究了Rashba型DMI的界面调控。AnniCao[83]等人研究了Pt/Co/MgO体系中DMI与氧化物覆盖层MgO厚度的关系，DMI会先随MgO厚度的增加而增加，这是由于MgO/Co界面Co发生
【参考文献】：
期刊论文
[1]磁性斯格明子的研究现状和展望[J]. 刘艺舟,臧佳栋. 物理学报. 2018(13)
[2]斯格明子电子学的研究进展[J]. 赵巍胜,黄阳棋,张学莹,康旺,雷娜,张有光. 物理学报. 2018(13)
[3]自旋波的各种模式及其实验探测方法[J]. 段秀丽,王选章. 哈尔滨师范大学自然科学学报. 2005(01)
[4]布里渊散射研究In-BCVIG单晶的体磁振子和偶极——交换磁振子[J]. 刘玉龙,张昊,朱恪,萧季驹,李泽民. 光散射学报. 1997(Z1)
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