垂直各向异性对条纹畴类软磁薄膜高频磁性的调控研究

Due to the potential theoretical and practical applications, a lot of research has been carried out to develop soft magnetic film with stripe domain structure during the last decade. One important problem is how to improve the high frequency soft magnetic properties working at GHz frequency range, and then the materials can be used both at relative lower or higher working frequency by the reorientation of magnetization. One of the most important part is how to control the perpendicular anisotropy in the soft magnetic thin film, and then the properties of stripe domain can be tuned by adjusting the competition of different magnetic energies. We try to induce the perpendicular anisotropy by introducing periodically magnetic bilayer at the bottom of soft magnetic film, and then the high frequency magnetic properties can be controlled by the induced perpendicular anisotropy. We can adjust the thickness of different layers, modulation period, the coupling between soft magnet layer and the layer with perpendicular anisotropy, and the microstructure of soft magnetic film. Then the high frequency properties, such as anisotropy, damping factor, resonance frequency, can adjusted by artificial modulation. We can understand the influence of anisotropy in soft magnetic film with stripe domain structure, and develop more devices working at GHz frequency range.

具有条纹畴结构的磁性软磁薄膜因其特殊的畴结构及潜在的理论和应用价值近年来受到人们的广泛关注，特别是针对其GHz频段软磁高频特性的研究是当前的一个研究重点：我们可以通过磁化强度重取向实现同一种材料在低频和高频段的使用。当前的难点之一是如何控制其中的垂直各向异性，通过相关能量的竞争来达到控制条纹畴性能的目的。本项目从垂直各向异性的控制入手，通过给高频软磁薄膜材料引入底部具有垂直各向异性的双层多周期薄膜实现垂直各向异性人工可控调控，达到调整顶部软磁薄膜高频磁性的目标。我们分别通过控制垂直各向异性层的各层厚度、周期数，并调整其与顶部软磁层的层间耦合，结合软磁材料微结构控制方法，实现条纹畴结构的高频软磁薄膜的最小厚度降低，内部各向异性、阻尼因子、共振频率的人造可控调整。该项目的立项有助于理解复合双层多周期膜后引入的垂直各向异性对高频软磁薄膜内各向异性的影响机制，拓展条纹畴类高频软磁薄膜的应用范围。

具有条纹畴结构的Py磁性软磁薄膜因其特殊的畴结构及潜在的理论和应用价值近年来受到人们的广泛关注，特别是针对其GHz频段软磁高频特性的影响是受到大家的关注，本项目从垂直各向异性的引入和控制入手，通过给高频软磁薄膜Py材料引入底部具有垂直各向异性的双层多周期薄膜，以实现垂直各向异性人工调控，达到调整顶部软磁薄膜高频磁性的目标。本项目重点研究了[Co/Pd]n/Py磁性超薄膜体系的磁性调控，除此之外还研究了Pd/Co/Ru磁性异质结以及Pd/Co/Pd等多种不同的多层膜材料体系，利用铁磁共振、高频磁性测量、磁畴观测和微磁学模拟等多种手段来探究其中的变化规律。结果发现，可以通过控制垂直各向异性层的各层厚度、周期数，并调整其与顶部软磁层的层间耦合，使其磁学性能受到人工可控调控，除此之外还可以进一步通过改换不同样品结构和退火温来进行调控。对[Co/Pd]n/Py 磁性超薄膜中软磁薄膜室温高频特性的研究发现，共振线宽随着周期数变化，本征Gilbert阻尼保持基本恒定，非线性展宽部分的变化不是很明显。双磁子散射的部分的贡献在8个和10个周期是比较明显的,低温下的Py层自旋重取向变化会导致Gilbert阻尼也变大了。这种现象出现的原因在于温度变化所引起的Py层自旋重取向变化有关。Py的面内各向异性和[Co/Pd]4的面外垂直磁各向异性相互竞争的结果。这就导致[Co/Pd]4/Py的面内磁滞回线中的饱和场较小，通过磁场控制使迷宫抽和条形畴变为磁泡，对磁泡的高频磁化动力学研究发现，磁化饱和态下，磁谱中在1 GHz附近出现尖锐的共振峰，这对应于面内均匀的磁矩进动模式，具有磁泡态的Py来说，磁谱展示的是零磁场下不对称的扩展峰，随着磁场的增加，共振峰移向了更高的频率。总体来看，此项研究成果表面，可以通过垂直各项异性的引入，对顶部的条纹畴类软磁薄膜高频磁性进行调控调控