软磁合金/贵金属/铁磁绝缘体异质结结构及动态磁化机制

The project is proposed to investigate the soft magnetic materials/noble metals/ferromagnetic insulators heterostructures. Experiments, combined with theoretical prediction would be conducted to analyze and adjust the composition of the ferromagnetic layer and non-ferromagnetic layer, process parameters, and other factors, and finally to realize repeatable preparation of the soft magnetic materials/noble metals/ferromagnetic insulators heterostructures. Based on computational materials science and thermodynamics, with considering the phase diffusion model of phase transformation, the experimental parameter could be optimized. Establish the connection between the microstructure and magnetic properties with observing and analyzing the microstructure of the soft magnetic materials/noble metals/ferromagnetic insulators heterostructures. Using ferromagnetic resonance, the induced double spin pumping in the heterostructure is used to analyze the spin transportation performance. By combining the damping of the ferromagnetic resonance and the microstructure of the crystal structure, the dynamic magnetization behavior of the Heterostructure could be analyzed. Additionally, considering the transformation of spin current to charge current, the new model will be modified and condifered to instruct the design and fabrication of new spintronic devices based on spin pumping.

本项目以软磁合金/贵金属/铁磁绝缘体三层异质结作为研究对象, 设计和控制软磁合金/贵金属/铁磁绝缘体三层异质结的金属层和非金属层成分、制备工艺参数、及外界条件的影响因素，实现软磁合金/贵金属/铁磁绝缘体三层异质结可控制备；结合计算材料学和热力学手段，依据金属相-非金属相扩散原理，优化实验参数和异质结结构；观察和分析异质结的微观组织结构、界面结构和界面缺陷，测量软磁合金/贵金属/铁磁绝缘体异质结磁性能，建立结构参数和磁性能之间的关系；通过铁磁共振，使软磁合金/贵金属/铁磁绝缘体产生双自旋泵效应，分析其自旋电流输运性能；测量和分析软磁合金/贵金属/铁磁绝缘体异质结铁磁共振阻尼和霍尔效应，建立异质结的动态磁化性能和其相结构、界面结构参数之间的关系；分析软磁合金/贵金属/铁磁绝缘体异质结自旋电流和充电电流转化机制。本项目研究对基于自旋泵效应异质结的自旋电子器件的设计和应用具有指导意义。

本项目以软磁合金/贵金属/铁磁绝缘体三层异质结构和其它磁性异质结构为研究对象,设计并制备了软磁合金/贵金属/铁磁绝缘体三层异质结构、磁性颗粒绝缘包覆异质结构，通过控制金属层和非金属层成分、制备工艺参数、及外界条件的影响因素，实现了软磁合金/贵金属/铁磁绝缘体三层异质结构、磁性颗粒绝缘包覆异质结构的可控制备；结合计算材料学和热力学手段，依据金属相-非金属相扩散原理，优化实验参数和异质结结构；观察和分析了异质结构的微观组织结构、界面结构和界面缺陷，建立了结构参数和磁性能之间的关系；通过铁磁共振，使软磁合金/贵金属/铁磁绝缘体产生双自旋泵效应，分析其自旋电流输运性能；测量和分析软磁合金/贵金属/铁磁绝缘体异质结构、磁性颗粒绝缘包覆异质结构铁磁共振阻尼和霍尔效应，建立了异质结的动态磁化性能和其相结构、界面结构参数之间的关系。.为了寻找大反常霍尔材料，我们将试验用共溅射的方法制备颗粒膜和合金膜样品，成分选用半导体－过渡金属合金。使用半导体材料是因为过渡金属和半导体形成颗粒材料可以得到一种铁磁金属簇(颗粒)镶嵌在合金基体中而非绝缘基体中的材料，这种合金基体甚至可以是一种铁磁合金基体。由于铁磁颗粒可通过磁性合金基体耦合起来而导致对温度的不敏感，这类磁性颗粒膜的磁性对温度的依赖性可以很弱，它的的反常霍尔效应对温度的依赖性同样可以很弱。.基于半导体的颗粒膜的另外一个优点是其高的场灵敏度，因为这些膜可以因为簇之间的相互耦合而使材料在磁性上变得很软。纳米晶化合物的软磁性质可以用随机各向异性模型来很好地解释。鉴于霍尔传感器是由电流驱动的，在这类仪器中应该考虑焦耳热的问题，而使用基于半导体的合金而非金属绝缘体的颗粒材料的另外一个优点便是电阻率较低。非常薄（几个纳米厚）的FeGe薄膜其磁性质和反常霍尔对温度的依赖非常小，这也使得找到具有更大的巨霍尔效应的磁性金属与半导体材料的化合物成为可能。