Co-Fe基软磁薄膜磁各向异性与磁化动力学调控

来源 :南京理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:huangy3874308
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近年来,随着无线通讯的发展,人们对磁性材料的发展提出了小型化、集成化和高频化的新要求。将磁性材料薄膜化是实现微型高频器件集成化的关键技术环节。Co-Fe基软磁薄膜具有高饱和磁化强度,易于调控的磁各向异性场和较高的电阻率,是应用在高频领域的理想材料。磁各向异性和磁化动力学参数包括自旋波特性、磁化弛豫等是影响器件高频性能的重要因素。调控Co-Fe基软磁薄膜磁各向异性和磁化动力学性能,对于设计新型高频器件具有重要意义。本论文以Co2FeSi、CoFeB、FeCo单层膜或多层膜为主要研究对象,采用铁磁共振谱作为主要研究方法,辅以时间分辨的磁光克尔效应、振动样品磁强计和X射线磁圆二色谱等测量手段,研究了应变、薄膜厚度和退火温度等因素对薄膜结构、面内磁各向异性、自旋波特性以及磁化弛豫的影响。具体的工作内容如下:(1)利用铁磁共振和飞秒泵浦探测技术,在柔性Co2FeSi/Ta薄膜中实现了应变诱导多种模式自旋波激发和阻尼因子的调控通过对生长在柔性聚酰亚胺(PI)衬底上的Co2FeSi/Ta薄膜施加应变,实现了偶极作用导致的表面自旋波(MSSW)和交换作用主导的垂直静态自旋波(PSSW)激发。通过分析薄膜内应变分布,我们将PSSW激发归因于应变引起的单轴各向异性场在薄膜厚度方向上不均匀分布,MSSW激发归因于脉冲激光导致原子晶格的超快速加热,引起沿应变方向的非均匀面内分布的各向异性场。Co2FeSi薄膜的阻尼因子随着拉应变和压应变呈现相反的变化趋势。利用X射线磁圆二色谱测量,我们排除了自旋轨道耦合是应变调控阻尼因子的机制。通过第一性原理计算,发现压应变使Co2FeSi费米面附近的能态密度N(EF±)降低,拉应变使其增加,这与阻尼随应变的变化规律一致。因此证明了应变对阻尼的调控来源于应变对Co2FeSi薄膜N(EF±)的影响。(2)CoFeB/Ta/Mica薄膜磁各向异性和磁化动力学性能调控(i)通过对不同厚度的CoFeB/Ta/Mica薄膜施加应变,研究了薄膜静态和动态磁性能随应变和薄膜厚度的变化规律。CoFeB薄膜饱和磁化强度随压应变的增大而减小,随薄膜厚度的增大而增大。单轴磁各向异性场随着压应变和薄膜厚度的增大而增大至175Oe左右。利用铁磁共振技术,发现了应变有助于CoFeB薄膜中的自旋波激发,且薄膜越厚,激发自旋波所需的临界应变越小,这个现象可归因于自旋波的体非均匀激发。对线宽的频率依赖性的拟合结果表明,CoFeB薄膜有效阻尼因子随着应变和薄膜厚度的增大而减小至0.005。(ii)CoFeB/Ta/Mica薄膜经过高温退火处理后,薄膜的饱和磁化强度得到了显著增强,且在400℃退火温度下薄膜中诱导出约50 Oe面内单轴磁各向异性。考虑退火对薄膜结构和界面原子扩散影响,薄膜的饱和磁化强度增强可归因于退火消除了薄膜残余应力,提高了原子有序性和促进了硼原子扩散。面内单轴磁各向异性来源可能是高温退火引起云母衬底发生各向异性热膨胀。对不同退火温度的薄膜进行铁磁共振测量,发现在适当温度下退火处理的薄膜样品中存在PSSW激发。考虑CoFeB薄膜的结晶过程与薄膜纵向深度有关,PSSW的激发可归因于退火诱导的薄膜体不均匀性。拟合不同退火温度样品的频率依赖线宽,得出CoFeB薄膜的有效阻尼因子随着退火温度的上升而增大约23.3%,这种阻尼变化归因于薄膜结晶过程造成的磁不均匀性和退火引起原子杂化增强轨道自旋耦合效应。(3)(FeCo/IrMn)3交换偏置多层膜的非共线磁各向异性和阻尼调控(i)通过在交换偏置(FeCo/IrMn)3多层膜的反铁磁层中掺杂非磁物质Mg O,交换偏置场Heb从185 Oe增大至300 Oe。基于面内角度相关的铁磁共振测量,发现交换偏置系统中单向和单轴磁各向异性轴之间存在着非共线夹角β,并将β归因于铁磁层中的非共线自旋结构。通过比较发现β和Heb随Mg O掺杂量的变化趋势相反。其原因是Heb越大,反铁磁对铁磁的钉扎作用越强,削弱了铁磁层中自旋结构的非线性,导致了β减小。(ii)通过对生长在柔性聚酰亚胺衬底上的交换偏置多层膜(FeCo/IrMn)3/Ta施加应变,Heb随着压应变增大从20 Oe增大到200 Oe,但在拉应变下基本保持不变。利用面内角度依赖的铁磁共振,揭示了应变调控交换偏置的物理机制来源于应变调控交换偏置多层膜中不同磁各向异性之间的夹角。此外(FeCo/IrMn)3/Ta/PI交换偏置多层膜的阻尼因子沿Heb方向呈现单向各向异性,且阻尼各向异性常数与Heb随应变的变化趋势一致。
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