论文部分内容阅读
新型自旋电子器件具有高运算速度、低损耗、非易失性等优良特性,其发展引起学术界和工业界的广泛关注。随着磁存储方面的更多发展,电子的输运特性与自旋的相关关系变得尤为密切和重要,并逐渐形成以研究自旋的产生、探测和调控等为主要内容的自旋电子学。本论文从描述LLG方程、广义欧姆定律和逆自旋霍尔效应等基本原理出发,阐述自旋整流电压（VSRE）和逆自旋霍尔电压（VIshE）与微波磁场、样品磁阻等的相互关系;通过翻转测试样品的方法,分离了 VSRE和VISHE信号;获得了样品的磁共振线宽、阻尼系数、自旋霍尔角（θSH）等参数,研究了自旋参量与电阻率的关系。首先利用磁控溅射技术,在SiO2衬底上制备了 NiFe和NiFe/Ta薄膜样品,并利用真空磁场退火工艺改善薄膜的磁性能,接着测试样品的各项异性磁阻（AMR）、电阻、表面粗糙度等物理参量。研究发现热处理温度在100 ℃～500 ℃之间,NiFe和NiFe/Ta的AMR随处理温度升高先增大后减小,且在400 ℃均达到最大值,分别是0.8和1.0; AMR曲线的半高宽随热处理温度的增加逐渐减小,其原因在于热处理后,原子排列有序,界面散射降低,电阻率下降;然而高温下晶粒生长不均,导致表面粗糙度增大;在热处理过程中,NiFe/Ta薄膜界面互扩散,扩散层厚度随处理温度的增加从21.49 A逐渐增加到25.65A,导致NiFe中非活性磁性层的厚度增加,影响磁阻的大小,且每层薄膜密度增大,说明缺陷减少,样品更加致密。然后,利用基于短路微带线的自旋整流测试平台测试NiFe样品和NiFe/Ta样品的光致电压,采用翻转测试方法分离出VsRE和VISHE,拟合测试曲线得出铁磁共振线宽、阻尼系数。对比NiFe单层膜和NiFe/Ta双层膜的测试结果,在NiFe/Ta样品中由于自旋注入导致阻尼系数增大,使其铁磁共振线宽在各频率点均大于NiFe样品。在NiFe/Ta样品中的电压随磁场的变化曲线中其对称分量由于ISHE的贡献,占更大比重;NiFe和NiFe/Ta本征铁磁共振线宽△H0均小于5 Oe,与单晶薄膜样品相当,说明表面铁磁薄膜的非均匀性非常小。两种不同结构的样品中,NiFe薄膜结晶质量没有大的差别,在NiFe的表面增加Ta层并不能提高NiFe的结晶度,从而使得样品的此性能具有可比性。最后,探讨了NiFe/Ta电子输运对自旋的影响。通过矢网测试铁磁薄膜的吸收功率,计算样品中的微波磁场,进而获得自旋霍尔角θSH和自旋混合电导。研究结果表明自旋霍尔角不随频率而变,说明自旋注入效率与样品本身相关,与频率无关。虽然理论模型预测θSH2与电导率成正比关系,然而实验数据变化关系不明显,理论与实验存在一定差距;基于铁磁共振线宽与频率的关系式转换得到的自旋混合电导gmix tot和基于逆自旋霍尔电压与磁矩进动角的关系式转换得到的自旋混合电导gmix eff与电阻率的变化趋势大体一致,幅值在1×1019m-2左右波动,基于两种不同的理论得出gmix具有相同的变化趋势,该结果表明在铁磁材料中自旋动量的损耗是通过ISHE转换成直流电压,并且自旋混合电导大小主要由非磁性层决定,而不是由磁性层决定,该研究为优化材料的光致电压指明了方向。