稀土调控非磁薄膜的自旋扩散长度

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自旋电子学一直是磁学研究的重要部分,其最基本的研究对象就是纳米磁性薄膜。磁性薄膜材料磁矩运动过程中的弛豫快慢由其磁动力阻尼因子决定,对磁性存储和自旋电子器件的读取速度起着关键作用。在对磁性薄膜材料的动力学性质的研究中,铁磁共振以其灵敏度高和装置简单成熟的特点受到广大科研工作者的青睐。本论文利用铁磁共振对坡莫合金/非磁双层膜结构的界面自旋泵浦效应进行了系统的研究,采用稀土Nd增加非磁层的自旋-轨道耦合,从角度依赖和频率依赖两个方面对双层薄膜的铁磁共振的共振场和线宽进行了实验测量和理论拟合,实现了稀土对磁动力阻尼因子的调制,并对非磁层的自旋扩散长度以及磁/非磁界面自旋混合电导进行了讨论。主要研究结果如下:一、稀土Nd作为非磁性金属调控铁磁薄膜(NiFe)/非磁(Nd)异质结中的自旋泵浦研究坡莫合金(Ni80Fe20)是一种很好的软磁材料,然而它的磁动力阻尼因子很小,导致了开关时间太长难以在自旋电子器件中应用。自旋泵浦效应是一种有效调控磁性薄膜中磁动力阻尼因子而不损害其优良磁性的有效方法,它发生在铁磁(FM)/非磁(NM)异质结界面处,通常而言,非磁层材料的自旋轨道耦合越强自旋泵浦效应引起的磁动力阻尼因子就越大。稀土金属钕(Nd)和金属铂(Pt)一样具有很强的自旋轨道相互作用,但其电子结构是不同的,是否稀土Nd也能和重金属Pt一样具有增强双层薄膜的自旋泵浦效应和NiFe合金薄膜的磁动力阻尼因子的能力呢?研究表明,稀土层Nd更好的增加了NiFe/NM双层薄膜的自旋泵浦效应,并改善了坡莫合金的磁动力阻尼,其Gilbert阻尼因子α的数值比NiFe/Pt增加了0.031,从而增大了坡莫合金在自旋电子器件中应用的可能。二、稀土Nd掺杂Cu作为非磁层对铁磁/非磁系统中自旋泵浦调控作用研究普通金属铜Cu往往是自旋阀结构的器件中常用到的非磁材料,但其本身自旋-轨道耦合很弱,和坡莫合金NiFe薄膜组成双层膜几乎没有自旋泵浦效应,造成的磁动力阻尼增量就很小。如果在Cu中掺稀土Nd,是不是可以实现磁阻尼因子的可调性?研究表明,随着Nd掺杂含量的增加,非磁层Cu-Nd的自旋扩散长度明显减小,界面混合电导增加明显,并且发现阻尼因子α有明显的增加趋势。说明稀土Nd的掺杂改变了非磁层Cu-Nd的自旋轨道耦合和NiFe/Cu-Nd的界面状态,从而对自旋泵浦和磁动力阻尼因子起到调节作用。
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