CrO2磁性半金属薄膜中的磁阻尼特性

CrO2 is very promising for applications in spintronic devices due to its high spin polarization. As an important dynamic constant, magnetic damping constant of CrO2 determines its performance in devices. A good knowledge of its magnetic damping properties will not only prompt the applications of CrO2 but also help us to better understand the behind physics of magnetic damping. In this project, the magnetic damping properties of CrO2 thin films will be comprehensively studied. In the study, different damping contributions will be separated by proper experimental designs. The effects of film orientation, dopants, strain and interface on different damping terms will be investigated, based on which methods for the manipulation of magnetic damping in CrO2 films may be explored. By using different theoretical models, damping terms with different mechanisms will be calculated and compared with those obtained experimentally. The origins of different damping terms, especially the intrinsic damping term will be investigated.

CrO2作为高自旋极化率的磁性半金属材料在自旋电子器件中有广阔的应用前景，研究CrO2薄膜中的磁阻尼系数不但可以促进材料的实际应用，同时有利于澄清磁阻尼的物理本质。本课题将对CrO2薄膜中的磁阻尼特性进行系统的研究：在实验上，通过不同的手段与实验设计区分不同来源的阻尼贡献，弄清不同阻尼项的特点，研究薄膜取向、不同元素掺杂、应力以及界面等因素对各阻尼项的影响，探索调控阻尼系数的方法；在理论上，结合实验结果，采用不同的理论模型对不同来源的阻尼项进行模拟计算，弄清不同阻尼项，特别是内禀阻尼的物理本质与调控机制。

本项目主要通过铁磁共振的方式对半金属CrO2薄膜的磁阻尼性质及界面CrO2薄膜的动力学性质的调控进行研究，实验发现了材料的超低Gilbert阻尼特性，探索不同界面对薄膜磁矩弛豫的影响以及调控机制，为进一步研发高性能自旋电子器件提供依据。研究获得的主要进展如下：1）在TiO2基片上外延制备出不同厚度的（100）和（110）取向的CrO2薄膜，薄膜具有良好的外延取向性和磁单轴各向异性；2）FMR测试结果分析表明，CrO2薄膜的磁各向异性与厚度和取向紧密相关，对于不同取向和厚度的薄膜，其动力学g因子均为1.98；3）发现CrO2薄膜的超低Gilbert阻尼行为，对于（110）晶面取向的CrO2薄膜，其阻尼值低至 ；而对于（100）晶面取向的CrO2薄膜，其阻尼值也低至 量级；4）理论分析双磁子散射和非均匀线宽等外在线宽加宽的贡献，发现薄膜的测试线宽主要来自于外在线宽，其固有阻尼对线宽的贡献很低;5) 第一性原理计算表明，不同的界面（CrO2/ RuO2，CrO2/ VO2，CrO2/ TiO2等）对CrO2薄膜的电子结构有着不同的影响；ATK计算预测了CrO2/ XO2/ CrO2（X=Ru，V，Ti）的高磁电阻效应；6）采用化学气相沉积、脉冲激光沉积等方式制备出高质量的CrO2/ RuO2、CrO2/ VO2，以及CrO2/ TiO2/ CrO2等结构，实验验证了CrO2/ TiO2/ CrO2隧道结的磁电阻效应；7) 对不同厚度和晶面取向的CrO2/ RuO2双层膜结构进行FMR研究，发现了明显的自旋泵浦行为。