磁性多層膜中微波阻尼調(diào)制及對自旋泵浦效應(yīng)影響研究

電子自旋的微波動力學(xué)研究，使自旋電子器件由靜磁場調(diào)制翻轉(zhuǎn)特性研究向微波調(diào)制下的高頻特性研究發(fā)展，也由此產(chǎn)生了自旋轉(zhuǎn)矩、自旋泵浦、自旋霍爾、逆自旋霍爾等一系列新的自旋效應(yīng)。這些自旋效應(yīng)的產(chǎn)生、控制、探測等均與磁矩的進(jìn)動密不可分，因而如何調(diào)制磁性薄膜的進(jìn)動模式、阻尼系數(shù)、鐵磁共振頻率以及其對現(xiàn)有自旋電子器件的影響、對新一代自旋電子器件的開發(fā)等成為了目前微波自旋動力學(xué)研究的關(guān)鍵。因此本項(xiàng)目將立足于此，建立鐵磁/非磁性/鐵磁多層膜體系磁矩進(jìn)動模型，開展了磁矩間鐵磁及反鐵磁耦合對自旋泵浦頻率影響研究；將超低氣壓制備手段引入其中，發(fā)現(xiàn)當(dāng)薄膜沉積氣壓低于目前常規(guī)濺射氣壓一至兩個(gè)數(shù)量級時(shí)，可實(shí)現(xiàn)磁性薄膜阻尼的有效調(diào)制，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對自旋泵浦效應(yīng)的調(diào)控；最后，開展了NiFe（CoFe）/Cu(Ru/Ta)/ NiFe（CoFe）等多層膜制備及層間耦合效應(yīng)影響研究，通過中間非磁性層厚度的改變，在NiFe/Ru/CoFe多層膜中實(shí)現(xiàn)了大于1000Oe的共振場調(diào)制。 2100433B

電子自旋的微波動力學(xué)研究，使自旋電子器件由靜磁場調(diào)制翻轉(zhuǎn)特性研究向微波調(diào)制下的高頻特性研究發(fā)展，也由此產(chǎn)生了自旋轉(zhuǎn)矩、自旋泵浦、自旋霍爾、逆自旋霍爾等一系列新的自旋效應(yīng)。這些自旋效應(yīng)的產(chǎn)生、控制、探測等均與磁矩的進(jìn)動密不可分，因而如何調(diào)制磁性薄膜的進(jìn)動模式、阻尼系數(shù)、鐵磁共振頻率以及其對現(xiàn)有自旋電子器件的影響、對新一代自旋電子器件的開發(fā)等成為了目前微波自旋動力學(xué)研究的關(guān)鍵。因此本項(xiàng)目將立足于此，首先開展鐵磁/非磁性/鐵磁薄膜、鐵磁/非磁性/鐵磁/反鐵磁多層薄膜體系中磁矩進(jìn)動、鐵磁諧振及其調(diào)控機(jī)理研究；其次，在理論指導(dǎo)下，研究非磁性層摻雜、交換偏置場調(diào)制、磁性層性能調(diào)制、緩沖層調(diào)整、層間擴(kuò)散等對多層膜體系中微波阻尼系數(shù)、磁矩進(jìn)動模式的影響，探尋有效調(diào)控薄膜阻尼系數(shù)及鐵磁共振的可行方法；最后，基于對磁性多層膜阻尼系數(shù)的調(diào)制，研究其對自旋泵浦效應(yīng)的影響，掌握調(diào)控自旋極化流注入的有效途徑。

對納米尺度磁性器件中自旋極化電流直接調(diào)控磁矩的行為特性開展系統(tǒng)深入研究，將極大推進(jìn)自旋轉(zhuǎn)矩型磁性隨機(jī)存儲器和微波振蕩器等新型自旋電子器件的開發(fā)。本項(xiàng)目針對自旋閥和磁性隧道結(jié)中自旋轉(zhuǎn)矩效應(yīng)的機(jī)理和其它一些關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題開展了系列研究。在該項(xiàng)目資助下，共發(fā)表了24篇SCI論文(含APL 10篇)。項(xiàng)目執(zhí)行期間主要取得以下結(jié)果：1）開發(fā)了包含自旋轉(zhuǎn)移矩垂直項(xiàng)的微磁模擬程序，研究了磁性隧道結(jié)器件中面內(nèi)和垂直項(xiàng)共存時(shí)電流驅(qū)動的磁動力學(xué)特性，揭示了垂直轉(zhuǎn)矩項(xiàng)對磁化翻轉(zhuǎn)的加速作用依賴于電流方向；2）設(shè)計(jì)了一種翻轉(zhuǎn)速度能夠提高近10倍的“垂直-面內(nèi)”雙自旋極化型先進(jìn)自旋閥結(jié)構(gòu)，并發(fā)現(xiàn)其自旋轉(zhuǎn)矩強(qiáng)度表現(xiàn)為“不翻轉(zhuǎn)、翻轉(zhuǎn)、和周期振蕩”三種不同的動力學(xué)行為參數(shù)空間；3）建立了經(jīng)過多次散射后自旋轉(zhuǎn)矩STT效率因子的解析模型。發(fā)現(xiàn)多次反射效應(yīng)的引入不僅使STT臨界翻轉(zhuǎn)電流密度降低，而且會改變自由層的進(jìn)動頻率隨電流變化的對稱性，表現(xiàn)為負(fù)電流時(shí)頻率變化迅速的特點(diǎn)；4）在保持強(qiáng)垂直各向異性的前提下，獲得了一種可有效提高Co/Ni多層膜垂直矯頑力的的在位熱處理方法；5）此外，在反鐵磁垂直交換耦合強(qiáng)度的溫度依賴性、磁阻尼系數(shù)的界面影響、納米線中磁疇壁的退釘扎行為和飛秒激光調(diào)控的超快退磁過程等方面也得到不少有意義成果。

磁性金屬多層膜，鐵磁層和非鐵磁層交替重疊構(gòu)成的金屬磁性多層膜。通常具有巨磁電阻效應(yīng)，其中每層膜的厚度均在納米量級。制備方法主要有濺射、蒸發(fā)和分子束外延。具有反鐵磁耦合的磁性多層膜結(jié)構(gòu)中，各層磁矩反向平行時(shí)電阻最大，平行時(shí)電阻最小。巨磁阻效應(yīng)隨多層膜周期數(shù)增加而增大，當(dāng)總膜厚與傳導(dǎo)電子平均自由程相當(dāng)時(shí)，巨磁阻效應(yīng)趨于飽和。

磁性隧道結(jié)是磁性隨機(jī)存儲器（MRAM）的首選記錄單元材料，研究流過納米存儲單元的自旋極化電流所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩作用是當(dāng)前國際磁學(xué)界的一個(gè)重要熱點(diǎn)領(lǐng)域。與近幾年研究較多的面內(nèi)自旋轉(zhuǎn)矩效應(yīng)相比，2008年新發(fā)現(xiàn)的垂直自旋轉(zhuǎn)矩效應(yīng)是電流驅(qū)動隧道結(jié)磁化翻轉(zhuǎn)的又一關(guān)鍵因素，對研發(fā)電流直接操控的自旋轉(zhuǎn)矩型MRAM至關(guān)重要。然而有關(guān)該效應(yīng)的物理機(jī)理、特性和作用等基礎(chǔ)性研究才剛剛起步，亟待深入探討。本課題擬采用微磁學(xué)方法，發(fā)展隧道結(jié)中的自旋轉(zhuǎn)矩模型，研究垂直自旋轉(zhuǎn)矩與偏壓、隧道結(jié)結(jié)構(gòu)對稱性等因素的依賴關(guān)系，闡明垂直自旋轉(zhuǎn)矩效應(yīng)的物理機(jī)制，進(jìn)而理論優(yōu)化隧道結(jié)器件結(jié)構(gòu)，探討降低翻轉(zhuǎn)電流的有效方法和途徑，為發(fā)展新型電流直接驅(qū)動的MRAM奠定理論基礎(chǔ)。