稀土掺杂非磁过渡金属对“铁磁/非磁”纳米复合合金薄膜（FM/NM-RE）的磁性调控

The spin pumping effect discovered in ferromagnetic(FM)/nonmagnetic(NM) bilayers is a breakthrough development in magnetism and spintronics , attracting much research interests. It is directly related to the spin polarized current in the ferromagnetic layer and to the spin-orbit coupling of the nonmagnetic layer. In this project, the rare earth metal with high spin-orbit coupling is selected to modify the nonmagnetic layer. By using the methods of ferromagnetic resonance and electric transport method, combining the structures analyses, magnetic property measurement and analyses with synchrotron radiation etc., the effect of the structures and interface of the bilayers of Fe based alloy/nonmagnetic-rare earth alloy(FM/NM-RE) with different rare earth elements and dopants will be studied. The regulation of the spin pumping effect and interfacial mixing conductivity in the combined film , as well as spin-orbital coupling and spin diffusion length in the non-magnetic layer are obtained. Thus the influence on the mechanism of spin dynamic damping in above combined films will be explored by using spin pumping of the ferromagnetic layer and spin-orbit coupling in nonmagnetic layer. The results of this study are beneficial for the development of the novel complex magnetic materials and the novel nonmagnetic materials with strong spin-orbit coupling, beneficial for integrating multifunctional spin devices.

铁磁（FM）/非磁（NM）结构的双层膜中发现的自旋泵浦（spin pumping）效应是磁学和自旋电子学中的一个突破性发展，因此吸引了众多的研究兴趣。它和铁磁层自旋极化电流相关，同时又和非磁层的自旋轨道耦合有直接联系。本项目采用具有较高的自旋轨道耦合系数的稀土金属调制非磁层，运用铁磁共振和输运两种方法，并结合结构、磁性和同步辐射分析等手段，研究不同稀土掺杂对铁磁/非磁过渡-稀土合金（Py/NM-RE）复合纳米双层膜的结构和界面的影响，得到自旋泵浦强度、界面混合电导以及非磁层的自旋轨道耦合强度和自旋扩散长度的调控规律。从而探索该复合纳米双层膜中的界面自旋泵浦效应和非磁层自旋轨道耦合对自旋动力阻尼的影响机制。这些研究结果将有利于开发新型复合磁性材料和新型强自旋-轨道耦合的非磁材料，有利于集成多功能自旋器件。

在铁磁/非磁复合纳米薄膜系统中，通过自旋泵浦效应增强磁化动力阻尼以及对磁化动力阻尼性质的调控和界面效应的研究是关键问题，稀土材料具有强自旋轨道耦合强度，可以很好的实现这一目标。本项目利用稀土材料对铁磁/非磁复合纳米薄膜系统中的非磁材料进行掺杂，主要以振动样品磁强计、铁磁共振和X射线磁圆二色等手段，比较系统的研究了稀土元素以及界面对磁性的影响，得到以下几方面结果：（1）采用高真空磁控溅射技术制备了不同稀土掺杂对铁磁/非磁过渡-稀土合金（Py/NM-RE）高质量复合纳米双层膜，稀土元素采用了Tb、Nd、Ho、Gd等，掺杂浓度从0%增加到100%，非磁层厚度从1 nm改变到100 nm，利用X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）、高分辨扫描电子显微镜（SEM）和高分辨透射电子显微镜（HTEM）等测量方法对薄膜的成分、结构进行了表征，研究了Py/NM-RE复合纳米薄膜的表面、晶粒、粗糙度以及界面扩散的情况，获得具有低各向异性、低势垒的尖锐、平滑界面的优化条件。（2）以振动样品磁强计（VSM）、铁磁共振（FMR）、X射线磁圆二色（XMCD）等为主要研究手段，成功提取了自旋泵浦有关的内秉阻尼，稀土作为非磁层掺杂，其阻尼因子比重金属Pt和Pd有很大的增强，从而获得短的自旋扩散长度和大的界面混合电导等重要参数，重要的是在我们的异质结构薄膜中发现并证实了一种自组织的反铁磁界面，并取得了表界面对磁动力学行为的影响规律。（3）采用插入的方法在边界处插入1 nm~4 nm的不同自旋扩散长度的中间层，如：自旋扩散长度比较长的Cu，或比较短的Pd作为插入层，研究了界面对自旋极化电流注入的影响，获得了自组织的反铁磁界面厚度，证实了这种反铁磁耦合的界面的存在极大地改善了自旋泵浦效应，增强了界面混合电导。（4）采用输运测量的方法研究FM /[NM-RE]双层薄膜系统的逆自旋霍尔效应，得到了逆自旋霍尔电压，证实了具有局域特性的稀土材料中确实存在自旋电流的输运。