【摘要】：自旋電子學(xué)器件可以操控電子的自旋,因而它比微電子器件只精確控制電荷而多了一個自由度,因此受到了廣泛的關(guān)注。自旋電子學(xué)器件中所用的磁性薄膜材料的性能決定了對自旋這一自由度控制的效率。而阻尼因子是一個重要的描述薄膜性能的參數(shù),因為它決定了以自旋轉(zhuǎn)移力矩驅(qū)動磁化強度翻轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)的磁性存儲器件的功耗和數(shù)據(jù)寫入速率。阻尼因子太大,導(dǎo)致產(chǎn)生足夠的自旋轉(zhuǎn)移力矩的臨界電流密度很高,因此功耗很大;而阻尼因子太小,又會使磁化強度弛豫時間延長,從一個穩(wěn)定態(tài)翻轉(zhuǎn)到另一個穩(wěn)定態(tài)的時間延長,導(dǎo)致器件的寫入速率降低。因此在自旋電子器件中研究阻尼因子的調(diào)控方法和調(diào)控機制是實現(xiàn)磁性薄膜阻尼因子調(diào)控的研究熱點,具有重要的研究價值和意義。阻尼因子可以分成本征項和非本征項。其中,阻尼因子的本征項通常與材料中自旋-軌道耦合效應(yīng)的強弱相關(guān),通過調(diào)控自旋-軌道耦合強度來實現(xiàn)本征阻尼因子的調(diào)控是利用自旋軌道力矩高效翻轉(zhuǎn)磁化強度的重要手段。近年來在鐵磁/重金屬異質(zhì)結(jié)中的自旋泵浦效應(yīng)也是造成磁性薄膜阻尼因子改變的重要非本征機制,通過對自旋泵浦阻尼因子的研究可以反映出自旋流在界面?zhèn)鬏數(shù)男?對利用純自旋流產(chǎn)生的自旋軌道力矩實現(xiàn)磁化強度的翻轉(zhuǎn)具有重要的意義。本文中,我們做了兩方面的研究工作,首先研究了稀土元素Yb摻雜對Fe_(65)Co_(35)薄膜阻尼因子的影響,然后通過自旋泵浦效應(yīng)來研究鐵磁金屬/非磁金屬異質(zhì)結(jié)界面處自旋流的傳輸對阻尼因子的影響。具體研究工作如下:在第一方面的工作中,因為Yb元素4f軌道電子是完全填充的,因此其軌道磁矩為零,所以理論上它與磁性金屬的合金應(yīng)該具有比較小的本征阻尼因子。為了驗證這一思路,我們制備了(Fe_(65)Co_(35))_((1-x))Yb_x薄膜樣品,測試了樣品的成分、結(jié)構(gòu)、靜態(tài)和動態(tài)磁性參數(shù)。結(jié)果表明:隨著樣品中Yb含量的增加,樣品的晶格結(jié)構(gòu)逐漸從多晶狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷顟B(tài)。飽和磁化強度和單軸各向異性常數(shù)均隨Yb含量增加而單調(diào)地下降,但是阻尼因子卻急劇上升。當溫度從100 K變化到400 K時,樣品的飽和磁化強度單調(diào)地下降,且滿足布洛赫T~(3/2)定律。同時樣品的各向異性常數(shù)也單調(diào)地下降。與此同時,在100 400 K溫度范圍內(nèi)樣品的阻尼因子發(fā)生非單調(diào)的變化,阻尼因子在200 K左右出現(xiàn)極小值。該結(jié)果定性地與基于坎伯斯基力矩相關(guān)模型的理論計算結(jié)果吻合。通過研究阻尼因子對Yb含量和各向異性常數(shù)的依賴關(guān)系以及它們隨溫度的變化規(guī)律,我們研究了Yb摻雜對Fe_(65)Co_(35)薄膜阻尼因子的影響以及影響阻尼因子的物理機制。第二個方面的工作中,首先為了研究Cr是否可以作為一種有效的自旋流吸收材料,我們制備了Cr(t_(Cr))/Co樣品,并且利用振動樣品磁強計和電子自旋共振譜測試了樣品在室溫下的靜態(tài)和動態(tài)磁性參數(shù)。通過分析樣品有效阻尼因子隨Cr層厚度的變化規(guī)律,得到了Cr/Co界面的自旋混合電導(dǎo)率為5.88×10~(19) m~(-2),Cr層的自旋擴散長度為4.69 nm。其次為了研究Al嵌入層能否降低鐵磁/Pt異質(zhì)結(jié)中Pt造成的磁近鄰效應(yīng)對自旋流傳輸?shù)挠绊?我們制備了FeCoB/Pt(t_(Pt))和FeCoB/Al(t_(Al))/Pt樣品,并且測試了樣品在室溫下的靜態(tài)和動態(tài)磁性參數(shù)。通過分析樣品有效阻尼因子隨t_(Pt)的變化規(guī)律,我們得到了FeCoB/Pt界面的自旋混合電導(dǎo)率為1.63×10~(18) m~(-2)。在FeCoB/Al(t_(Al))/Pt系統(tǒng)中,隨著從t_(Al)從0增加到0.5 nm,樣品的有效阻尼因子迅速從0.028下降到0.016。這種下降趨勢說明了Al插入層減弱了層間交換耦合,從而抑制了磁近鄰效應(yīng)。這也說明了將Pt看作是通常的自旋流吸收材料,而不考慮磁近鄰效應(yīng)是不全面的。最后為了說明氧化物插入層是否可以提高Co/Pt和Co/Ta界面的自旋混合電導(dǎo)率,我們生長了Co/CuO_x/Pt(t_(Pt))和Co/CuO_x/Ta(t_(Ta))樣品,以及Co/Cu/Pt(t_(Pt))和Co/Cu/Ta(t _(Ta))參考樣品。測試了樣品的成分、層狀結(jié)構(gòu)、靜態(tài)和動態(tài)磁性參數(shù)。通過擬合四組樣品的有效阻尼因子對t_(Pt)和t_(Ta)的依賴關(guān)系,我們得到了樣品的自旋混合電導(dǎo)率和自旋擴散長度等信息,發(fā)現(xiàn)CuO_x層的引入可使自旋混合電導(dǎo)率提高1.5倍。另外在YIG/CoO_x/Pt(t_(Pt))樣品觀察到了相似的現(xiàn)象,說明CuO_x和CoO_x氧化層的引入均可增強界面自旋流的傳輸,為設(shè)計高效的自旋電子學(xué)器件提供了一種思路。
【圖文】：

大學(xué)博士學(xué)位論文 稀土Yb摻雜和自旋泵浦效應(yīng)對磁性薄膜阻尼因子自旋-軌道耦合強度的平方成正比。[11]這些研究結(jié)果幾乎都與性且可以應(yīng)用于高密度磁記錄器件中的材料有關(guān)。這些結(jié)果中的增加，阻尼因子一般是增加的。[12], [13]為降低自旋轉(zhuǎn)移力矩度而降低阻尼因子的研究工作很少。Woltersdorf 等報道，與 NHo 摻雜阻尼因子大幅度增加相比，Gd 摻雜 NiFe 樣品的阻尼。這是因為 Gd 的軌道磁矩為零，電子只占 4f 軌道的一半，4f入的自旋-軌道耦合強度較弱而導(dǎo)致的。[14]

圖 1-2 Ti 作種子層的 Co/Ni 多層膜中本征阻尼因子和磁晶各向異性常數(shù)之間的線性關(guān)系，引自參考文獻[12]第二個方面工作可以幫助理解阻尼因子的調(diào)控機制。由于樣品的阻尼因子和磁晶各向異性常數(shù)都與自旋-軌道耦合強度的二次方成正比，所以預(yù)期二者之間具有線性關(guān)系。目前已經(jīng)有許多這方面的實驗工作，例如，Song 和合作者報道了在以 Ti 作種子層的 Co/Ni 多層膜樣品中矯頑力和垂直各向異性場都隨著 Ti 種子層厚度的增加而增加。[12]Ti 種子層厚度的增加影響了樣品的晶格結(jié)構(gòu)，，從而
【學(xué)位授予單位】：蘭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：O484

【參考文獻】

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 安玉蓉;稀土Gd摻雜FeCo薄膜的結(jié)構(gòu)和磁性[D];蘭州大學(xué);2014年

本文編號：2606188