亚铁磁GdFeCo基多层膜的磁性和电输运性质研究

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21世纪是一个以网络为核心的信息时代,数字化、网络化、信息化是这个时代的基本特征,不断发展的计算机技术对信息存储器的要求越来越高。自旋电子学是一个可以在纳米尺度操控自旋的研究领域,可用于发展和制造新一代信息存储器件,例如,磁性随机存储器(MRAM)因其具有非易失、高密度、低功耗和高速率等诸多优点,具有十分重要的应用前景。目前基于铁磁材料的器件已经在传感器和数据存储等方面取得巨大成功,但随着器件尺寸的进一步减小,散热问题已严重阻碍了自旋电子器件进一步发展。近年来,具有反平行磁矩排列特性的亚铁磁材料展现出诸多优异性能,比如:磁矩和角动量可以相互抵消,净磁矩和杂散场很小;补偿点附近具有超快动力学特性;具有体垂直各向异性和较长的自旋相干长度等。这些特性引起了很多新奇物理现象,使其在磁传感器、高密度存储、集成感应元件等电子器件中具有广阔的应用前景。稀土-过渡金属亚铁磁合金是实现这种器件的一种重要潜在候选材料。本论文采用磁控溅射方法制备了稀土-过渡金属Gd Fe Co亚铁磁合金薄膜和以其为基的磁性多层膜,研究了薄膜的结构、磁性以及电输运性质,主要研究内容如下:(1)利用磁控溅射制备Pt/Gd Fe Co/Pt和Pt/Gd Fe Co/Ta等磁性多层膜,研究薄膜的结构和磁性。通过控制Gd含量以及Gd Fe Co生长速率进行磁性调控,磁滞回线结果表明增加Gd含量、降低Gd Fe Co生长速率,可引起薄膜易磁化轴由面内方向转变为面外方向,并最终优化出表面粗糙度较小、饱和磁化强度较低、垂直磁各向异性良好的高质量Pt/Gd Fe Co/Pt和Pt/Gd Fe Co/Ta多层膜,同时阐明了垂直磁各向异性源于重金属/Gd Fe Co界面处强自旋轨道耦合效应。(2)基于上一步优化出的具有良好垂直磁各向异性的Gd Fe Co基多层膜,进一步研究了外磁场对多层膜交换偏置的影响。在Pt/Gd Fe Co/Pt多层膜中观察到与初始磁化态相关的自发交换偏置现象,并通过反常霍尔效应测试验证了这种自发交换偏置现象。此外,实验结果显示通过改变初始外磁场大小和方向可有效调控交换偏置场,其产生机制可能与Gd Fe Co磁性层表面的特殊倾斜磁结构相关。(3)通过电输运测试进一步探究了Gd Fe Co基多层膜的新奇物理现象。当Gd含量较低时,多层膜在室温下表现出叠加拓扑信号的反常霍尔效应;在较高Gd含量垂直各向异性多层膜中,观察到随温度改变霍尔系数符号的反常霍尔效应,在补偿温度附近探测到反铁磁态的拓扑霍尔效应,并且通过自旋霍尔效应产生的自旋流有效驱动反铁磁态Gd Fe Co层实现磁化翻转。
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