【摘 要】
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集成电路领域的发展已经进入后摩尔时代,传统CMOS工艺中器件的特征尺寸虽然仍在不断缩小,但是其性能已近乎达到瓶颈。此外,集成电路的能耗问题愈发受到人们的关注,漏电流所引发的静态功耗随着特征尺寸的减小而不断变大。为解决上述问题,具有低能耗,非易失,存储密度大等优势的自旋电子学器件得以蓬勃发展。目前自旋电子学的前沿研究集中在自旋轨道力矩（spin-orbit torque,SOT）和表面拓扑结构等方面
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集成电路领域的发展已经进入后摩尔时代,传统CMOS工艺中器件的特征尺寸虽然仍在不断缩小,但是其性能已近乎达到瓶颈。此外,集成电路的能耗问题愈发受到人们的关注,漏电流所引发的静态功耗随着特征尺寸的减小而不断变大。为解决上述问题,具有低能耗,非易失,存储密度大等优势的自旋电子学器件得以蓬勃发展。目前自旋电子学的前沿研究集中在自旋轨道力矩（spin-orbit torque,SOT）和表面拓扑结构等方面,而亚铁磁石榴石正是应用于这些基础研究的体系之一,这使得具有垂直磁各向异性的石榴石薄膜几十年来一直受到研究人员的关注。本文就一种铋元素掺杂的铥铁石榴石薄膜进行展开,具体研究内容如下所示:本文首先整理了前人的相关工作,确立了开展本研究的科学意义,对目前自旋电子学当中的杰出成果以及前沿领域进行了简要介绍,尤其对近年来亚铁磁石榴石材料的科研成果进行了详述。接着从亚铁磁石榴石的晶体结构出发,介绍了石榴石薄膜内的磁各向异性能,进而推导了极坐标下薄膜铁磁共振的条件。本文采用脉冲激光沉积（Pulsed laser deposition,PLD）技术,在取代钆镓石榴石(substitute-Gd3Ga5O12,s GGG)衬底上制备了一系列具有较强磁垂直各向异性效应的铋掺杂铥铁石榴石(Tm2Bi Fe5O12,Tm Bi IG)薄膜。之后,对Tm Bi IG薄膜的生长工艺以及退火工艺进行了探索,分别用高分辨率扫描透射电镜、X射线衍射、X射线光电子能谱、振动样品磁强计和宽带铁磁共振测试仪（ferromagnetic resonance,FMR）研究了Tm Bi IG薄膜的晶体学特性和磁性能。通过面外以及面内FMR测试以及软件拟合得到室温下10nm厚的薄膜的磁垂直各向异性场为H⊥=4445±7.5 Oe,30nm厚的薄膜的磁垂直各向异性场为H⊥=4582±7.7 Oe。通过与前人的工作进行对比,发现本文所制备的Tm Bi IG薄膜的磁垂直各向异性场大小有明显的提升,说明Bi3+离子掺杂有提高薄膜垂直各向异性场大小的作用。此外,在面内FMR研究方面,与之前研究的铥铁石榴石不同,在不同厚度Tm Bi IG薄膜的面内FMR测试中都观察到了一个额外的共振模式。由于Tm Bi IG薄膜较强的磁垂直各向异性,Tm Bi IG薄膜中的朗德因子也呈现各向异性。Tm Bi IG薄膜的朗德因子远低于自由电子的朗德因子,表明强自旋轨道耦合是由Tm和Bi重元素引起的。在不同厚度的Tm Bi IG薄膜中,吉尔伯特阻尼因子α从0.007变化到0.012,说明Bi3+离子掺杂对α无明显影响。
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