非晶态磁性纳米薄膜的磁性质研究

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Co-Fe基非晶态磁性纳米薄膜是近年来自旋电子学领域研究的热点材料,由于相比晶态薄膜具有很多优势,例如结构均匀、软磁性好、磁各向异性便于调控、在磁性隧道结中能呈现非常高的磁电阻、耐腐蚀、易于实现批量生产等,因此吸引了众多的研究兴趣。不同成分的Co-Fe基非晶态薄膜能够保持高磁化强度、很高的居里温度、高磁导率、以及很低的矫顽力从而易于磁化翻转,具有很好的潜在应用价值,因此对其磁各向异性的调控及相应微观机制的研究显得极为重要。而铁磁共振因其动力学特性而对磁各向异性灵敏度非常高,并能提供层间耦合、自旋弛豫机制、样品不均匀性等重要信息,因此是研究磁性薄膜/多层膜的有力工具。  本论文以非晶态Co68Fe24Zr8三明治结构薄膜(双层膜)、单层薄膜、以及Co20Fe60B20超薄膜为研究对象,采用单频率或多频率下室温和低温时面内或面外角度依赖性铁磁共振作为主要研究方法,辅以频率依赖性铁磁共振和超导量子干涉仪测量磁矩等研究手段,研究了用不同方法(包括生长时的外加磁场、改变厚度、改变温度等)对面内、面外磁各向异性的调控,磁各向异性的来源或微观机制,调控磁各向异性的机制,自旋弛豫机制,以及磁性微观结构。主要成果为:  (1)通过改变生长时外加磁场的方向,可以对Co68Fe24Zr8/Al70Zr30/Co68Fe24Zr8三明治结构中各层Co68Fe24Zr8非晶态磁性薄膜的面内单轴各向异性实现独立地调控,使其定位在任意方向,而强度保持在(2.9±0.1)×103J/m3不变。同时两磁性层也不存在层间耦合,从而在自旋电子学多层膜结构的应用中能够使各磁性层之间完全独立。  (2)通过多频转角铁磁共振研究中理论拟合得到的g因子和低温下转角铁磁共振研究得到的面内单轴各向异性随温度的变化关系研究了各向异性的来源,表明Co68Fe24Zr8非晶态磁性薄膜的宏观面内单轴各向异性来源于大量具有局域单轴各向异性的短程有序的原子团簇,其局域各向异性机制为单离子各向异性。  (3)通过对比生长时外加磁场状态不同的三个Co68Fe24Zr8非晶态磁性单层薄膜,研究了薄膜的磁性微观结构和调控磁各向异性的机制。通过建立磁性微观模型和理论模拟,进一步证明薄膜宏观面内单轴各向异性的来源是大量在拓扑结构上无规则分布的、具有短程序和局域单轴各向异性的原子团簇。研究表明这种局域单轴各向异性的方向呈高斯分布,并且可以在样品生长时被外加生长磁场定位到同一方向,而局域各向异性常数Kloc2‖值不受生长场影响,保持在(3.0±0.2)×103J/m3,这便是调控Co68Fe24Zr8非晶态薄膜面内单轴各向异性的机制。  (4)对生长时加面内磁场的Co68Fe24Zr8非晶态单层膜进行的频率依赖性铁磁共振研究,对线宽的频率依赖性的拟合表明,薄膜中具有局域各向异性的原子团簇内部的自旋弛豫机制以本征(Gilbert)阻尼机制为主,得到Gilbert阻尼因子α=(6.1±0.1)×10-3,与上述模拟得到的参数吻合很好,因而是上述磁性微观模型的一个佐证。同时也给出了薄膜中存在非本征线宽机制。  (5)通过改变Co20Fe60B20超薄膜的厚度,可以调控其面外即垂直单轴各向异性,使其易磁化轴取向为薄膜面内(较厚)或者薄膜法向(较薄)。调控机制为薄膜二级垂直各向异性场2K1/2/Ms(易垂直)与退磁场μ0Ms(易平面)之间的竞争。随着膜厚减小,二级垂直各向异性常数K⊥2增加,而饱和磁化强度衰减,使得二级垂直各向异性场逐渐大于薄膜退磁场,薄膜磁矩愈加倾向于沿薄膜法向排列。  (6)选择厚度合适的Co20Fe60B20超薄膜,通过改变其温度,也可以调控其面外各向异性,使其随温度降低由二度对称向四度对称过渡。其调控的直接机制为二级、四级有效垂直各向异性场Beff2和Beff4数值相当且随温度降低而分别递减与递增。选取厚度合适的薄膜使其二级垂直各向异性场2K1/2/Ms与退磁场μ0Ms数值相当,Beff2数值很小,与Beff4相当,因而是用厚度和温度共同实现了对磁各向异性的调控。  (7)Co20Fe60B20超薄膜二级、四级垂直各向异性常数随温度的变化K1/2(T)和K1/4(T)总体上均呈现随温度降低而递增的趋势。拟合并与理论研究对比发现,较薄、较厚样品的二级垂直各向异性机制主要分别为双离子各向异性和单离子各向异性。
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