铁磁性金属Fe、Co薄膜磁各向异性及其温度影响的研究

发布时间：2018-03-20 14:15

本文选题：磁性薄膜　切入点：磁各向异性　出处：《中国科学院大学(中国科学院物理研究所)》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：本论文分别以生长在Si(111)衬底铁薄膜,以及生长在MgO(001)和Si(100)衬底上钴薄膜为研究对象,围绕着温度展开铁磁性金属薄膜的磁性静态和动力学两方面的研究工作,磁性静态分析主要是利用自主搭建的低温输运测量系统,磁光系统对铁磁薄膜铁、钴的磁各向异性及其温度的影响展开研究。磁性动力学分析主要利用实验室自主搭建的全光泵浦时间分辨的磁光克尔效应(TRMOKE)以及矢量网络分析仪-共面波导(VNA-CPW)铁磁共振系统对铁磁薄膜在热扰动和微波场扰动下的磁动力学行为进行对比研究,从而研究磁性超薄膜的内禀动力学特性,为进一步降低材料的磁损耗提供价值指导。具体工作内容包括:1.首先利用分子束外延技术,在0.1度斜切的Si(111)衬底上外延生长了不同厚度的Fe薄膜。通过磁光克尔(MOKE)转角测量和实验室自主搭建的可变温的各向异性磁电阻输运测量详细研究了铁磁薄膜的磁各向异性及其温度依赖性。由于临近衬底的作用,薄膜磁各向异性表现为四重,六重和弱的单轴对称的叠加。同时,四重磁晶各向异性的温度依赖关系遵循归一化磁化强度m(T)(=M(T)/M(0))的指数次幂行为,该理论符合Callen等人的理论预测。然而单轴各向异性的温度依赖行为表现异常,随着样品厚度的不同,其依赖的指数次幂也不同。这样的异常行为无法用单离子模型去解释。我们也发现磁晶六重贡献在整个温区范围内几乎不变,对于导致这种不同指数的温度依赖行为,我们进行了详细的讨论。2.其次,我们以CoSi2为缓冲层在Si(100)衬底上外延生长了4.5 nm Co薄膜,通过原位的扫描电镜和低能电子衍射对其形貌和结构进行了表征。同时我们利用变温各向异性磁电阻输运测量,超导量子磁强计和MOKE测量方法系统的研究了其磁性和温度依赖性。结果看出室温下原位生长的薄膜存在1.2 nm临界厚度,此厚度下铁磁有序出现。各向异性能表现出四重和单轴的叠加,单轴贡献较弱。我们证明了其四重和单轴贡献的温度依赖关系都遵循归一化磁化强度的不同指数次幂变化行为,这与理论预测一致。3.再次,我们在单晶MgO(001)衬底上外延生长2.5 nm的钴薄膜,并经过不同温度退火处理。通过退火处理改变Cu/Co/MgO三明治结构不同界面来研究界面耦合对面内磁各向异性的影响,探究了退火处理对薄膜生长的影响以及材料磁各向异性的调控。结果表明预先生长的样品表现出了两重对称主导的磁各向异性,四重贡献微小。这主要是由Co,Cu界面的应力造成的。而200摄氏度退火处理后的样品,其磁各向异性由单轴变为四重主导,衬底与铁磁金属的界面耦合增强。而更高温度的退火破坏了该界面,样品表现各向同性。我们的实验证明两个界面间在操控磁各向异性上扮演者不同的角色。4.最后,结合薄膜磁性静态分析,我们开展了薄膜磁性动力学方面的研究工作,从而更清楚的了解磁性材料动力学特征,为降低材料损耗提供实验和理论指导。我们在MgO(001)衬底上分别生长了不同厚度的Co薄膜,利用全光泵浦技术和矢量网络分析-共面波导铁磁共振技术对钴薄膜的磁动力学行为进行对比研究。分别研究了样品厚度和不同退火处理对材料内禀阻尼因子的影响。同时利用动力学方法对材料静态磁性进行了对比分析,重点讨论了两种不同方法在研究材料内禀阻尼方面的特点,并对测量结果进行了讨论分析。
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【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：O484

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