磁性材料的铁磁共振线宽研究

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磁性薄膜的磁化动力学特性是当今新兴学科——自旋电子学的重要研究方向之一。磁化动力学阻尼由于直接关系到自旋电子器件和磁性存储器件的读写速度,吸引着很多科研工作者的兴趣。铁磁共振由于高的灵敏度和装置简单成熟的优点,被广泛的应用于磁特性和磁性弛豫的研究。其吸收谱能够间接的反映磁化动力学阻尼等信息。本文利用铁磁共振手段对磁性弛豫机制中的双磁子散射和铁磁/非磁多层膜结构的自旋泵浦进行了系统的研究,获得主要结果如下:  一 Fe1-xGdx磁性薄膜的双磁子散射线宽研究  本文利用高真空磁控溅射仪制备了不同稀土Gd掺杂的Fe薄膜,Gd掺杂浓度从0%增加到26%,薄膜的结构为Si/Ta(5 nm)/Fe1-xGdx(30 nm)/Ta(5 nm)。研究发现,随Gd含量的增加,薄膜从多晶转变非晶的转变。饱和磁化强度和矫顽力随Gd的增加不断减小。通过铁磁共振对Fe1-xGdx系列薄膜的面外线宽进行测量,发现Fe1-xGdx系列薄膜中存在较大的双磁子散射,这种双磁子散射导致线宽的显著增宽。利用Landau-Lifshitz-Gilbert(LLG)方程和薄膜自由能公式对共振场和共振线宽进行拟合,结合Arias和Mills提出的双磁子散射理论,成功的分离出双磁子散射对于线宽加宽的贡献,得到了Fe1-xGdx系列薄膜本征Gilbert阻尼因子α等重要磁性参数。发现阻尼因子α随着Gd参杂含量的增加从0.0065逐渐增大到0.054。说明稀土Gd掺杂对调制Fe薄膜的磁性阻尼有非常重要的作用。  二 FeNi/Tb和FeNi/Cu-Tb薄膜的自旋泵浦研究  用高真空磁控溅射仪制备了不同系列的FeNi/Tb和FeNi/Cu-Tb薄膜,对Si/Tb(5 nm)/FeNi(10 nm)/Tb(d1 nm)薄膜的基本磁性研究表明:随着Tb覆盖层厚度的增加饱和磁化强度减小,而矫顽力和单轴各向异性有所增强。铁磁共振研究表明:FeNi/Tb结构具有很强的自旋泵浦效应,导致阻尼显著增加。通过将缓冲层Tb置换成Ta,制备系列Si/Ta(5 nm)/FeNi(10 nm)/Tb(d2 nm)薄膜,对比研究发现,自旋泵浦效应有所减弱,主要是由于FeNi/Ta自旋泵浦效应较弱所致。通过改变磁性层FeNi的厚度,制备薄膜结构为Si/Ta(5 nm)/FeNi(d3 nm)/Tb(4 nm),发现阻尼与铁磁层FeNi厚度成反比,与自旋泵浦理论一致。得到的自旋扩散长度λSD≈8 nm,Tb(5 nm)/FeNi(10 nm)/Tb(d1 nm),Ta(5 nm)/FeNi(10 nm)/Tb(d2 nm)和Ta(5 nm)/FeNi(d3 nm)/Tb(4 nm)的自旋混合电导分别为:5.7×1016,4.6×1016和2.6×1016cm-2。  受到铁磁材料中稀土掺杂可以提高自旋轨道耦合启发,在弱自旋泵浦材料Cu中掺杂Tb,调制非磁层Cu-Tb的自旋轨道耦合与界面混合电导,从而达到调制自旋泵浦的目的。利用高真空磁控溅射仪制备了三个系列样品,分别改变覆盖层的厚度和Tb的掺杂浓度,薄膜结构为:Si/Ta(5 nm)/FeNi(10 nm)/Cu1-xTbx(dnm)d=0,1,2,4,8,16和32 nm,Tb的浓度分别为x=22%,48%和66%;实验结果很好的证实了我们的想法,饱和阻尼从22%的0.0177增加到66%的0.0677。Cu-Tb薄膜的自旋扩散长度随着Tb的增加而减小,从22% Tb的18 nm减小到66% Tb的8 nm,而自旋混合电导变大,从4×1015cm-2增加到26×1015cm-2。说明不同Tb掺杂的Cu-Tb薄膜确实能够对自旋泵浦起到很好的调制作用。
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