YIG-金屬薄膜中自旋泵浦與自旋霍爾效應(yīng)研究.pdf

1、電子具有電荷和自旋兩種屬性，基于電子電荷屬性的微電子學(xué)在推動(dòng)人類(lèi)社會(huì)進(jìn)步的歷程中發(fā)揮了巨大的作用，但隨著器件小型化和集成度的進(jìn)一步提高，高功耗的問(wèn)題顯得日益嚴(yán)重，極大地限制了微電子學(xué)的發(fā)展，摩爾定律也不再適用。近些年來(lái)為了克服這一瓶頸，電子的自旋屬性得到了廣泛的關(guān)注。在自旋電子學(xué)發(fā)展史上，具有里程碑意義的工作是1988年Albert Fert和Peter Grünberg發(fā)現(xiàn)的巨磁電阻效應(yīng)(GMR)。巨磁電阻發(fā)現(xiàn)之后，又發(fā)現(xiàn)了基于AlO

2、x和MgO的隧道磁電阻效應(yīng)(TMR)、自旋轉(zhuǎn)移力矩效應(yīng)(STT)、自旋霍爾效應(yīng)(SHE)等。如今已經(jīng)成功研發(fā)出了大量基于電子自旋的新型自旋電子學(xué)器件，而且基于磁電阻效應(yīng)的技術(shù)早已應(yīng)用于磁傳感器和硬盤(pán)讀頭中，實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化的大規(guī)模生產(chǎn)，這對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人類(lèi)社會(huì)進(jìn)步起到持續(xù)的推動(dòng)作用。
　　在自旋電子學(xué)這一方興未艾的學(xué)科中，近年來(lái)人們對(duì)自旋流的產(chǎn)生、探測(cè)以及調(diào)控產(chǎn)生了濃厚的興趣。研究發(fā)現(xiàn)，利用純自旋流可以只輸運(yùn)電子的自旋角動(dòng)量而沒(méi)有凈

3、電荷的流動(dòng)，因此純自旋流也可在鐵磁絕緣體中傳輸，這樣就可大大降低器件的功耗。在短短的幾年中，一系列產(chǎn)生純自旋流的方法相繼被發(fā)現(xiàn):如電注入、光注入、自旋塞貝克效應(yīng)(SSE)以及自旋泵浦效應(yīng)(Spin Pumping effect)等。
　　目前研究自旋流的典型材料體系是由鐵磁材料與非磁重金屬構(gòu)成的雙層膜，已被廣泛研究的材料有鐵磁金屬，如坡莫合金Ni81Fe19(Py)以及電子結(jié)構(gòu)完全局域的亞鐵磁性絕緣體，如釔鐵石榴石Y3Fe5O12

4、(YIG)，與其接觸的順磁金屬通常是具有強(qiáng)自旋軌道耦合作用的重金屬，例如:Ta、Pt、W等，同時(shí)利用順磁金屬中的逆自旋霍爾效應(yīng)（ISHE）來(lái)探測(cè)自旋流。目前研究確定，這些重金屬的自旋霍爾角都在0.07～0.2范圍，這遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足實(shí)際需要，所以繼續(xù)尋找新的大自旋霍爾角材料成為自旋電子學(xué)領(lǐng)域一大研究熱點(diǎn)。
　　近年來(lái)，反鐵磁材料在純自旋流的研究中備受關(guān)注。由于反鐵磁材料具有很多獨(dú)特的物理特性:無(wú)凈磁化強(qiáng)度、理論上預(yù)言有很大的自旋軌道耦

5、合強(qiáng)度、非共線(xiàn)的自旋等，與此同時(shí)，理論工作預(yù)測(cè)在反鐵磁材料γ-FeMn、IrMn3和Cr中有可能存在非常大的自旋霍爾效應(yīng)，而且基于反鐵磁材料的隧穿各向異性磁電阻以及各向異性磁電阻均有相關(guān)報(bào)道。所有這些，使得反鐵磁材料在自旋霍爾效應(yīng)相關(guān)的領(lǐng)域逐漸開(kāi)始嶄露頭角，但大量的研究工作尚待展開(kāi)。
　　自旋電子學(xué)領(lǐng)域另一研究熱點(diǎn)圍繞YIG/Pt界面的磁近鄰效應(yīng)展開(kāi)。一般來(lái)講，當(dāng)Pt與磁性材料相接觸時(shí)，界面附近的Pt原子層會(huì)產(chǎn)生自旋極化，這一效應(yīng)

6、被稱(chēng)作Pt的磁近鄰效應(yīng)，實(shí)驗(yàn)上利用X射線(xiàn)磁性圓二色性(XMCD)已經(jīng)證實(shí)了Pt磁近鄰效應(yīng)的存在，關(guān)于YIG/Pt體系磁近鄰效應(yīng)的爭(zhēng)論也一直沒(méi)有統(tǒng)一觀點(diǎn)，并且爭(zhēng)論焦點(diǎn)多集中在YIG/Pt體系的自旋塞貝克和自旋霍爾磁電阻研究中，而自旋泵浦作為一種界面效應(yīng)是否受磁近鄰效應(yīng)的影響仍沒(méi)有直接工作證明。
　　基于對(duì)自旋流國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀的了解，我們選擇了反鐵磁FeMn的自旋霍爾效應(yīng)、納米厚度YIG/Pt雙層膜中自旋流的起源、天線(xiàn)對(duì)自旋整流電壓的

7、調(diào)控等關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行研究。本論文取得的主要結(jié)果如下:
　　一、與順磁態(tài)的FeMn相比，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)反鐵磁序的FeMn自旋霍爾角更大且符號(hào)相反，其自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度約為6.8nm。
　　為了研究順磁性FeMn與反鐵磁FeMn自旋霍爾效應(yīng)的不同，我們選擇Cu作為緩沖層，分別制備了YIG/FeMn/Ni81Fe19和YIG/Cu/FeMn/Ni81Fe19樣品，并且對(duì)其進(jìn)行室溫和低溫(78K)的各向異性磁電阻測(cè)量。在YIG/Cu/FeMn

8、/Ni81Fe19體系中，磁電阻曲線(xiàn)存在明顯的交換偏置效應(yīng)，表明FeMn是反鐵磁性的;而在YIG/FeMn/Ni81Fe19體系的磁電阻曲線(xiàn)中沒(méi)有出現(xiàn)交換偏置效應(yīng)，表明FeMn是順磁性的。我們利用自主搭建的自旋泵浦和自旋塞貝克系統(tǒng)分別測(cè)量YIG/FeMn/Cu和YIG/Cu/FeMn體系的逆自旋霍爾電壓，得到Y(jié)IG/FeMn/Cu和YIG/Cu/FeMn自旋泵浦電壓的絕對(duì)值分別為1μV和2μV，自旋塞貝克電壓的絕對(duì)值分別為0.2μV和0

9、.4μV。兩個(gè)樣品的逆自旋霍爾電壓不僅絕對(duì)值大小差別巨大，而且符號(hào)相反。
　　通過(guò)制備YIG/Cu樣品作為對(duì)比實(shí)驗(yàn)排除了Cu層的影響，確定逆自旋霍爾電壓的巨大差別來(lái)自具有不同磁結(jié)構(gòu)的FeMn層。我們還制備了YIG/W樣品作為對(duì)比實(shí)驗(yàn)來(lái)標(biāo)定順磁性FeMn和反鐵磁性FeMn自旋霍爾角的符號(hào)。根據(jù)相關(guān)的工作報(bào)道，W是具有負(fù)自旋霍爾角的材料，對(duì)比我們的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以確定:順磁態(tài)的FeMn具有負(fù)的自旋霍爾角;反鐵磁態(tài)的FeMn具有正的自旋霍爾

10、角。我們進(jìn)一步制備了不同厚度的順磁性和反鐵磁性FeMn樣品，對(duì)其進(jìn)行自旋泵浦效應(yīng)測(cè)量，得到電壓信號(hào)線(xiàn)寬與薄膜厚度的變化關(guān)系，擬合得到反鐵磁FeMn的自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度約為6.8nm，與Pt的自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度相近。
　　與順磁態(tài)FeMn相比，反鐵磁FeMn中非共線(xiàn)的自旋排列方式很可能是引起自旋霍爾角變號(hào)的主要原因。這種非共線(xiàn)的自旋排列方式可以大大增強(qiáng)材料中的軌道鐵磁性，進(jìn)而增大自旋軌道耦合的強(qiáng)度。反鐵磁有序性形成后，相反方向自旋之間強(qiáng)大的交換

11、作用場(chǎng)也可以改變自旋的散射勢(shì)，進(jìn)而改變自旋霍爾角的符號(hào)。這在自旋流的相關(guān)研究，以及反鐵磁材料在自旋電子學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的研究具有很高的參考價(jià)值。
　　二、YIG/Pt的自旋泵浦實(shí)驗(yàn)表明，自旋流來(lái)源于YIG/Pt界面，而不是通常認(rèn)為的來(lái)自YIG本身。
　　我們利用自主搭建的鐵磁共振和自旋泵浦復(fù)合測(cè)量系統(tǒng)，同時(shí)巧妙地結(jié)合Cu電極的貼片天線(xiàn)效應(yīng)，對(duì)納米厚度YIG/Pt體系的鐵磁共振和逆自旋霍爾電壓進(jìn)行了原位表征。通過(guò)對(duì)Pt完全覆蓋YIG、

12、Pt部分覆蓋YIG的樣品進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)逆自旋霍爾電壓信號(hào)的峰位與峰寬并不能與YIG的鐵磁共振吸收峰對(duì)應(yīng)，而是對(duì)應(yīng)于一個(gè)共振磁場(chǎng)略小于YIG的微弱吸收峰，并且這個(gè)吸收峰只有在Cu電極發(fā)揮貼片天線(xiàn)效應(yīng)時(shí)才可能觀察到。我們進(jìn)一步對(duì)YIG/Pt進(jìn)行面內(nèi)360°轉(zhuǎn)角度電壓測(cè)量，發(fā)現(xiàn)電壓信號(hào)是由逆自旋霍爾電壓和自旋整流電壓疊加而成，并且兩部分電壓信號(hào)與面內(nèi)轉(zhuǎn)角的函數(shù)關(guān)系與理論吻合。我們推測(cè):在納米厚度YIG/Pt體系的自旋泵浦實(shí)驗(yàn)中，自旋流不是來(lái)自

13、大家通常認(rèn)為的YIG，而是來(lái)自YIG/Pt的界面，其中Pt層的界面很可能存在由YIG或者從YIG擴(kuò)散的Fe離子誘導(dǎo)的鐵磁性極化。
　　為了證明這個(gè)推理，我們利用第一性原理計(jì)算分別計(jì)算了YIG/Cu界面、YIG/Al界面的順磁金屬由于磁近鄰效應(yīng)而誘導(dǎo)的磁矩。計(jì)算結(jié)果顯示Cu層界面極化的磁矩與YIG磁矩反向，其磁矩大小約為磁化Pt的1/5，而界面處的Al沒(méi)有誘導(dǎo)磁矩。進(jìn)一步，我們對(duì)YIG/Cu/Pt和YIG/Cu/Ta進(jìn)行了鐵磁共振與

14、自旋泵浦的原位表征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示:逆自旋霍爾電壓信號(hào)所對(duì)應(yīng)的鐵磁共振吸收峰與YIG的鐵磁共振吸收峰相比，向低磁場(chǎng)方向移動(dòng)了25Oe，并且兩個(gè)樣品電壓信號(hào)符號(hào)相反，而在YIG共振吸收峰位置沒(méi)有探測(cè)到逆自旋霍爾電壓。這說(shuō)明在YIG/Cu/Pt和YIG/Cu/Ta樣品中自旋流的來(lái)源是界面處被磁化的Cu層，而YIG/Al/Pt樣品中由于無(wú)磁近鄰效應(yīng)的存在而沒(méi)有探測(cè)到逆自旋霍爾電壓。
　　我們假設(shè)自旋流的來(lái)源是YIG，對(duì)該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中逆自旋霍

15、爾電壓的極限值進(jìn)行了理論分析。結(jié)果表明:由YIG磁化強(qiáng)度進(jìn)動(dòng)所產(chǎn)生的自旋流轉(zhuǎn)化而來(lái)的逆自旋霍爾電壓僅為nV量級(jí)，小于實(shí)驗(yàn)測(cè)得的電壓三個(gè)數(shù)量級(jí)。換言之，實(shí)驗(yàn)探測(cè)到的逆自旋霍爾電壓的來(lái)源并不是YIG的磁化強(qiáng)度進(jìn)動(dòng)產(chǎn)生的自旋流轉(zhuǎn)化來(lái)的。
　　我們結(jié)合實(shí)驗(yàn)、第一性原理計(jì)算以及理論推導(dǎo)證明了:由于YIG與Pt的電子結(jié)構(gòu)差異非常大，在納米厚度的YIG體系里，YIG的磁化強(qiáng)度在發(fā)生鐵磁共振過(guò)程中產(chǎn)生的角動(dòng)量改變很難有效地傳遞到Pt中;實(shí)驗(yàn)上測(cè)到

16、的直流電壓信號(hào)是源于YIG/Pt界面，其界面處的Pt很可能是被YIG或者是由YIG中擴(kuò)散的Fe離子磁化而變成鐵磁性。這一研究結(jié)果為鐵磁絕緣體與非磁性金屬的異質(zhì)結(jié)中界面自旋混合電導(dǎo)的研究提供了新的思路。
　　三、發(fā)現(xiàn)了貼片天線(xiàn)對(duì)鐵磁性金屬薄膜磁化動(dòng)力學(xué)過(guò)程的放大作用。
　　我們將10nm Ni81Fe19薄膜與貼片天線(xiàn)結(jié)合，利用不同尺寸的貼片天線(xiàn)實(shí)現(xiàn)鐵磁共振條件下自旋整流電壓信號(hào)不同程度的放大，通過(guò)擬合自旋整流電壓信號(hào)得到天線(xiàn)

17、的相對(duì)放大倍數(shù);進(jìn)一步，將10nmCo薄膜與貼片天線(xiàn)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)非共振條件下，自旋整流電壓信號(hào)和低磁場(chǎng)微波吸收信號(hào)的顯著放大，首次在10nm鐵磁性金屬薄膜中探測(cè)到磁化翻轉(zhuǎn)過(guò)程產(chǎn)生的低磁場(chǎng)微波吸收峰;最后，我們利用OOMMF微磁學(xué)模擬分析Co薄膜反磁化過(guò)程中磁矩的動(dòng)態(tài)變化情況。結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)得的非共振條件下自旋整流電壓，分析得出，由于Co薄膜反磁化過(guò)程中，磁疇壁消失的時(shí)刻磁矩具有高度隨機(jī)的各向異性，在自旋轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生低磁場(chǎng)的微波吸收信號(hào)。