有序合金薄膜中结构、磁性及输运性质

Since magnetic and magnetotransport properties, and electronic structure of ordered alloy films can be tuned greatly, they are of crucial importance in spintronics devices. In this project, we will fabricate L1(0) XPdPt(X=Fe, Co, Ni and their alloys) and high spin polarization Heusler alloy films and their heterostructures, and study their microstructural, magnetic, magentotransport, and spin ultrafast dynamics properties. Fabrication condition will be optimized to obtain the high quality epitaxially grown L1(0) XPdPt(X=Fe, Co, Ni and their alloys), Heusler alloy films and their bilayers. Effects of fabrication condition on microstructural, magnetotransport, and spin dynamics properties are studied. Effects of spin orbital coupling and density of states near Femi surface on the intrinsic contributions of magnetostransport including anomalous Hall effect, anisotropic magnetoresistance, and anomalous Nernst effect, and spin ultrafast dynamics properties including magnetic damping parameter and ultrafast demagnetization are revealed. Extrinsic contributions of the microstructure to the magnetotransport and spin ultrafst dynamics properties will also be uncovered. Mechanism of the interface anisotropy in Heusler alloy films will be revealed. Finally, ideally perpendicularly magnetized ordered alloy films or heterostructures with low magnetic damping parameter, suitably low perpendicular magnetic anisotropy, and high spin polarization will be obtained for design and fabrication of spin transfer torque magnetic random access memory devices and spin field effect transistors.

有序合金薄膜的磁性,电学性质,以及电子结构能够在很大范围内得到调控，在自旋电子学器件领域具有举足轻重的地位。本项目将围绕L1(0) XPdPt（X=Fe, Co, Ni及其合金）和高自旋极化率哈斯勒合金薄膜及其异质结构的微结构、磁性、磁输运、以及自旋超快动力学性质开展研究。利用超高真空磁控溅射法制备高质量有序合金外延薄膜，研究工艺条件对微结构、磁性、电性等的影响。探讨自旋轨道耦合强度和费米面附近态密度对反常霍尔效应、各向异性磁电阻效应、反常能斯特效应等磁输运性质，磁性阻尼系数以及超快退磁等自旋超快动力学性质的调控机制。探索薄膜微结构等外在因素对磁输运和自旋超快动力学性质的影响机制。揭示哈斯勒合金薄膜界面各向异性机制。获得有序合金薄膜或者异质结，具备高自旋极化率、低磁性阻尼系数、垂直磁各向异性，以期为制备电流驱动磁化翻转磁随机存储器以及自旋场效应管等自旋电子学器件提供理想材料。

本项目围绕L1(0) XPdPt（X=Fe, Co, Ni及其合金）和高自旋极化率哈斯勒合金薄膜微结构、磁性、磁输运、以及自旋超快动力学性质开展研究，取得了一些有积极意义的研究成果，具体表现在以下几个方面。.(1) 前期工作表明，L1(0) FePdPt中反常霍尔效应服从传统标度关系，其中skew散射项系数为a,与散射无关项系数为b。进一步研究表明，在三元无序合金中反常霍尔效应以及系数a和b随Pd/Pt原子百分比变化而变化，呈现与有序合金相似的规律。总之，由于反常霍尔效应来源于自旋轨道耦合作用，因此无论有序合金还是无序合金，其反常霍尔效应都受自旋轨道耦合作用调控。同时，有序合金中系数a和b可以很好地用1/d的线性函数拟合，因而清楚说明存在体和表面/界面贡献。有序合金薄膜中磁光克尔旋转角峰位位置和峰值大小随Pd/Pt成分比而连续移动，其中峰值大小的变化归结为自旋轨道耦合强度变化，而峰位移动归结为d轨道随成分而变化。.(2)哈斯勒合金家族共有1500多种材料，它们具有很多新奇特性备受关注。围绕哈斯勒合金薄膜材料制备和性能改善我们做出一些非常有意义的结果。(a)以MgO为衬底，利用界面 Co-O, Mg-O键作用，在Mn2CoAl哈斯勒合金薄膜中实现垂直各向异性。(b)利用Fe掺杂，在 CoTiSb外延薄膜中同时实现铁磁性和半导体特性。这两种哈斯勒合金薄膜可以应用于自旋转移力矩和磁性隧道结等多种器件之中。.(3)对于CoNi和FeNi合金外延薄膜，利用成分变化实现费米面位置以及费米面附近态密度连续改变，从而实现磁晶各向异性，磁性阻尼系数和反常霍尔效应的连续可控。其中磁性阻尼系数和费米面附近态密度呈现相似的变化规律，从而证明磁性阻尼系数与费米面附近态密度密切相关，这对于磁性阻尼系数物理机制的理解有非常大的帮助，同时对于探索低磁性阻尼系数材料有指导意义。