磁性異質(zhì)結(jié)的自旋輸運及自旋動力學(xué)調(diào)控研究.pdf

1、隨著集成電子功能器件的尺寸進入十納米量級，能耗與集成度的矛盾愈顯凸出，而電子的自旋維度開啟了承載信息的全新模式，其低功耗、高速和量子化特性將迎來后微電子時代電子信息器件的全新變革。如何實現(xiàn)自旋電子動力學(xué)過程的有效電操控是當(dāng)今科學(xué)界的前沿?zé)狳c課題，是實現(xiàn)全自旋流功能器件和自旋微波器件的根本性技術(shù)途徑。本文以磁性/非磁異質(zhì)結(jié)的自旋輸運和自旋動力學(xué)調(diào)控為研究課題，首先成功制備出納米厚度的磁絕緣體釔鐵石榴石(YIG)單晶外延薄膜，并就其微結(jié)構(gòu)和

2、高頻磁性能做了表征；圍繞著“單晶 YIG/非磁”異質(zhì)結(jié)的自旋動力學(xué)調(diào)控和新型自旋流輸運特性開展了系統(tǒng)研究。其次，研究了多種納米厚度“鐵磁金屬/非磁”異質(zhì)結(jié)的自旋泵浦效應(yīng)，提出了“反鐵磁/非磁重金屬/鐵磁”長程動態(tài)交換偏置模型。最后，開展了鐵磁/反鐵磁多層膜體系的高頻動力學(xué)調(diào)控研究，設(shè)計和實現(xiàn)了兩種高頻特性可調(diào)的模塊化周期結(jié)構(gòu)多層膜。研究工作包括以下四個方面：
　　1、采用激光分子束外延方法成功制備軟磁和高頻性能優(yōu)異的高質(zhì)量YIG單

3、晶薄膜，為研制低功耗自旋電子器件打下材料基礎(chǔ)。提出了一種調(diào)控單晶YIG/Au異質(zhì)結(jié)的自旋流泵浦注入效率的新方法：通過快速熱處理實現(xiàn)對YIG/Au異質(zhì)結(jié)體系自旋泵浦特性的調(diào)控，揭示了快速熱處理下的Au表面形貌演變與 YIG阻尼因子增強效應(yīng)的重要關(guān)聯(lián)，基于自旋泵浦效應(yīng)獲得了熱處理后YIG/Au異質(zhì)結(jié)增強的自旋電導(dǎo)率。首次研制出絕緣體單晶 YIG/石墨烯自旋異質(zhì)結(jié)器件：研究了這一體系的自旋動力學(xué)特性，觀測到重要的YIG線寬展寬現(xiàn)象，基于自旋泵

4、浦效應(yīng)獲得了極高的界面自旋流電導(dǎo)率，高達(dá)2.45×1015 cm-2。通過拉曼譜研究YIG/石墨烯異質(zhì)結(jié)的應(yīng)力特性，獲得了 YIG薄膜對石墨烯壓應(yīng)力誘導(dǎo)的2D峰的紅移現(xiàn)象。通過應(yīng)力對石墨烯 Dirac點處發(fā)生自旋相關(guān)能級劈裂相關(guān)結(jié)論，給出了 YIG/石墨烯異質(zhì)結(jié)界面自旋流注入的解釋。
　　2、建立了YIG/(Pt, Pd)異質(zhì)結(jié)的界面自旋流和自旋積聚的閥效應(yīng)理論模型。通過面外磁場研究了YIG/(Pt, Pd)霍爾器件的磁電阻變化，

5、首次獲得了“自旋閥型”磁電阻曲線。研究發(fā)現(xiàn)：霍爾電壓/自旋霍爾磁電阻變化存在電流密度相關(guān)的翻轉(zhuǎn)場，基于自旋軌道等效場和自旋軌道轉(zhuǎn)矩理論對結(jié)果做了分析和討論。為排除由近磁效應(yīng)導(dǎo)致的Pt磁性，實驗在YIG/Cu/Pt結(jié)構(gòu)中亦獲得了典型的“自旋閥型”磁電阻曲線，證實了自旋霍爾磁電阻理論的正確性。通過研究面內(nèi)正負(fù)偏置磁場對YIG/Pd體系的自旋霍爾電壓曲線的影響關(guān)系，為發(fā)現(xiàn)磁絕緣體單晶/重金屬異質(zhì)結(jié)的界面自旋霍爾轉(zhuǎn)矩打下了重要的實驗基礎(chǔ)。

6、>　　3、首次研究了重金屬釕(Ru)種子層對納米厚度NiFe薄膜的自旋動力學(xué)特性的影響。改變Ru厚度，可以大范圍地調(diào)控NiFe薄膜的共振場和阻尼系數(shù)。通過微結(jié)構(gòu)和表面表征，揭示出Ru/NiFe異質(zhì)結(jié)的微結(jié)構(gòu)和表面形貌與宏觀特性的關(guān)系，證實阻尼增強來源于 NiFe/Ru的自旋泵浦效應(yīng)和微結(jié)構(gòu)相關(guān)的雙磁子散射雙重貢獻(xiàn)。此外，本文建立了“反鐵磁/非磁重金屬/鐵磁”長程動態(tài)交換偏置模型，研究了IrMn/Ru/NiFe/Ru/IrMn多層膜體系的

7、動態(tài)磁特性。實驗發(fā)現(xiàn)非磁Ru厚度和IrMn厚度相關(guān)的共振場低場偏置現(xiàn)象。通過磁滯回線和角度相關(guān)FMR排除了由靜態(tài)交換偏置場和靜態(tài)各向異性場引起的共振場偏移，實驗結(jié)果可應(yīng)用于頻率可調(diào)自旋微波器件。
　　4、設(shè)計了兩種交換偏置模塊的堆棧結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了多共振型磁譜寬頻帶吸收線寬的任意可調(diào)；通過LLG方程對堆棧結(jié)構(gòu)的自旋動力學(xué)特性做了分析，獲得了每個模塊的共振場、動態(tài)各向異性場和阻尼因子。實驗發(fā)現(xiàn)[NiFe/IrMn]N多層膜中的半釘扎層對