NM1/FM/NM2结构中自旋泵-逆自旋霍尔效应研究

The spin pumping and inverse spin hall effect in "nonmagnetic metal 1/ferromagnet/nonmagnetic metal 2" structures (NM1/FM/NM2) will be studied in this proposal. At first, a microstrip fixture and lock-in technology will be used to realize a wide frequency measurement. The spin rectification contributions of both the anomalous hall effect and anisotropic magnetoresistance effect will be included in the inverse spin hall effect model, and then calculation method of the spin pumping-inverse spin hall effect will be develpoed. Based on the measurement method, the NM1/FM/NM2 structure will be studied aiming to the potential application of microwave magnetic field detector. The influences of the materials properties and the interfacial characteristics on the spin pumping-inverse spin hall effect will be researched with different FM and NM materials by constructing different FM/NM interfaces. This research can clarify the various physical effects in FM/NM structures under FMR conditions. The spin pumping mechanics will be explored and NM1/FM/NM2 structures with large spin current conversion efficiency and high inverse spin hall voltage will be designed and prepared. This research will support the design and develop of the new microwave magnetic field detector based on the spin pumping-inverse spin hall effect.

本项目提出并研究"非磁性金属1/铁磁/非磁性金属2"多层膜结构（NM1/FM/NM2）中的自旋泵-逆自旋霍尔效应。首先采用一种微带夹具以及锁相技术搭建宽频测试平台，同时将铁磁薄膜中异常霍尔效应以及各向异性磁阻效应产生的自旋整流电压纳入到逆自旋霍尔效应的计算模型中，建立起自旋泵-逆自旋霍尔效应的准确测试方法。然后在此基础上，以微波磁场传感器作为应用背景，以NM1/FM/NM2结构为研究对象，优化选择不同铁磁和非磁金属材料，构建各种可调控的FM/NM界面，以研究不同铁磁材料特性、界面特性对自旋泵-逆自旋霍尔效应的影响规律，并探索其影响机制。通过本项目的研究，将澄清FM/NM结构在铁磁共振情形下各种物理效应的贡献，探索影响自旋泵效率的各种机制，设计并制备出自旋流转换效率高和逆自旋霍尔电压大的NM1/FM/NM2结构，为设计和开发基于自旋泵-逆自旋霍尔效应的新型微波磁场传感器提供理论依据。

本项目针对铁磁/非磁性导电层结构中的自旋泵-逆自旋霍尔效应开展研究，建立了自旋整流效应和逆自旋霍尔效应测试平台，研究了自旋整流电压和逆自旋霍尔电压的分离方法，建立了可靠的自旋泵-逆自旋霍尔效应测试方法。在此基础上，重点研究了铁磁材料、非磁性金属材料以及界面特性对自旋泵-逆自旋霍尔效应的影响规律，探索了影响自旋流产生和注入效率的各种因素，还研究了自旋注入到导电氧化物中产生的自旋相关效应，基于这些研究结果设计了多条薄膜串联结构的微波传感器，探讨了微波功率和输出信号大小的关系。.项目研究获得的重要结果如下：（1）发明了翻转测试法，实现了逆自旋霍尔效应和自旋整流效应的有效分离。针对测试信号中既有ISHE信号，又有SRE信号，且难以有效分离的难题，发明了翻转样品法实现了ISHE和SRE电压信号的有效分离。该方法是一种快捷的通用测试方法，可以广泛地在自旋输运测试中得到应用。（2）发现了超细FM/NM薄膜中只存在纯净的逆自旋霍尔电压。研究发现，如果薄膜线条的宽度足够小，在特定的测试角度下，此时FM/NM薄膜内没有自旋整流效应，只有纯净的逆自旋霍尔电压。该发现为研究单纯的逆自旋霍尔效应提供了很好的方法。（3）发现了铁磁薄膜电阻率与阻尼系数、自旋混合电导的关联。研究发现NiFe阻尼系数随着薄膜电阻率的增加而增加，这表明电子散射是铁磁共振线宽展宽的一个主要原因。还发现NiFe/Ta的自旋混合电导和NiFe薄膜的电阻率无关。该研究有助于进一步探讨自旋扩散和电子扩散之间的关联关系，深入理解自旋的传输，反射等基础问题。（4）发现自旋注入到导电氧化物表面，可产生IREE电压。将自旋注入到低能离子束轰击后的STO和TiO2的导电表层，利用氧化物导电表面形成的电场梯度所引起的Rashba效应实现了自旋流与电荷流转换。通过对掺杂STO的自旋输运测试，获得了掺杂氧化物中非内禀机制导致的逆自旋霍尔效应。该结果为研究基于氧化物的自旋电子学提供了新的材料和新方法选择，拓展了自旋电子材料的范围。