图案化磁性薄膜中的自旋波研究

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自旋波是电子自旋的集体进动形式,运动中携带有丰富的振幅和相位信息,并且摒弃了传统电子传输的热损耗,因而成为新一代低能耗存储器件的理想载体。从GHz到THz,波长比相同频率的微波小4到5个数量级,这使得它们与现代纳米级的电子设备和电路兼容。随着电子器件的微型化和高频化,需要制备微纳级别的电子器件,因此对于微纳尺寸图案化薄膜自旋波的基础物理机制研究及调控是非常重要的。本文采用图案化技术研究了软磁薄膜共振特性,主要内容如下:(1)首先利用光刻技术在单层坡莫薄膜上制备不同形状的图案,研究其静态动态磁性能。在条带结构中利用CPW、ESR、PPMS、BLS等探测手段,激发探测到了不同种类的自旋波。实验结果表明:利用CPW进行面内转角测试,当外加场平行于条带长轴且微波场垂直于外加场方向配置时,探测到了五种不同类型共振模式,低频下的共振为铁磁共振模式,高频下的共振为不同阶数的面内自旋驻波模式。当改变条带长轴与外加场方向的夹角,随着角度的增大,面内自旋驻波数量逐渐减小,在一定角度下面内自旋驻波和铁磁共振模式似乎发生一定的耦合。当外加场垂直于条带长轴方向时,探测到了量子化的自旋波模式和未饱和区域产生的一致进动模式。利用ESR进行面外转角测试,观测到多阶垂直自旋驻波和前向体波模式。面内自旋驻波和垂直自旋驻波模式的波数和峰强均满足体不均匀模型。利用PPMS进行定频扫场及低温测试,观测到面内自旋驻波随着温度降低往低场下移动而垂直自旋驻波往高场下移动,这是因为面内方向为易轴方向面外为难轴方向,低温下磁矩更倾向于沿着易轴方向进动。随着温度的降低面内自旋驻波模式和垂直自旋驻波模式逐渐较少,这是因为样品内存在一定的双磁子散射,而双磁子散射过程中一致进动的铁磁共振模式(k=0)退化成非一致进动模式(k≠0),而在低温下的时候,能隙可以阻止那些低于间隙能量的磁子的激发。利用BLS技术,采用波矢k=3.7 rad/μm的光波,激发探测到了表面波和后向体波。其次,利用光刻加刻蚀手段制备不同刻蚀深度及圆盘尺寸的结构,研究其静态动态磁性能,实验结果表明:未完全刻蚀配置下vortex结构消失,呈现与连续膜一样的磁性。当刻蚀深度为100 nm圆盘尺寸为10 μm时利用ESR激发探测到垂直自旋驻波模式。最后利用电子束曝光制备不同长短轴比的纳米级别椭圆盘,研究其相关磁性能。结果表明:椭圆盘长短轴比值的变化对自旋波模数影响不大。(2)首先利用VSM和VNA研究了 Py/Cu/Co和Py/Cu/Py三层膜结构的静态磁性能和动态磁性能,通过对比Py/Cu/Co三层膜和Py单层膜以及Co单层膜的共振频率,发现三层膜结构共振频率介于单层膜共振频率之间,表明三层膜中出现光学支和声学支模式。利用CPW技术测试,结果表明三层膜结构激发出两种共振模式:光学支模式和声学支模式,随着中间层厚度增大光学支模式频率逐渐降低,这是因为本实验中三层膜耦合为铁磁耦合,层间耦合作用将会增大交换耦合等效场作用,而光学支模式来源于层间耦合作用,中间层厚度越大,层间耦合越弱,交换耦合等效场作用越小,光学支模式频率越低。通过对比不同的上层材料发现光学支模式起始频率不同,这是因为上层材料的饱和磁化强度不同导致层间耦合强度不同。其次,利用光刻加刻蚀手段制备三层条带状结构并研究其ESR转角共振特性,结果表明:三层膜中出现与单层膜类似的结果,因为边界条件和耦合作用使得三层条带状结构中的自旋波的种类及演变非常复杂。(3)探索制备合适的共面波导电极激发坡莫中的自旋波条件,为后续利用共面波导电极研究图案化中的自旋波提供重要基础。
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