钴基Full-Heusler合金的掺杂效应和薄膜噪声特性研究

Cobalt-based Full-Heusler alloy is a kind of ferromagnetic intermetallic compound with high spin polarization, which has a wide application prospect in spintronic field. However, the depolarization factors of semi-metal and noise characteristic parameters seriously weaken the performance of this material and limit its application in the thin film device. Based on Co2Mn1-xCrxSi and Co2FeAl1-xGex alloy material, we will first analyze the effects of different doping concentrations on the lattice constant and magnetic properties of bulk material, so as to control the depolarization factors. In order to obtain high quality ferromagnetic thin film electrode material, combined with the transport mechanism and noise characteristic, the influence mechanism of doping effect on the structure and magnetic properties will be studied. It can reveal the interaction between doping effect, noise and magnetic property. The evaluation system of doped material thin film will be formed, and look for the method to reduce the level of noise. Based on that, we will study the characteristic of doped thin film device under microwave excitation. The relationship between anisotropy, noise characteristic and thin film size will be analyzed for optimizing the signal to noise (S/N) of device, which can lay a solid foundation for the future application.

钴基Full-Heusler合金是一类具有高自旋极化率的铁磁性金属间化合物，在自旋电子学方面有着广阔的应用前景。然而，造成半金属不稳定的退极化因素以及噪声特征参数削弱了这类材料的性能，限制了其在薄膜器件中的发展。本项目将以Co2Mn1-xCrxSi和Co2FeAl1-xGex合金材料为基础，首先分析不同的掺杂浓度对块状材料的晶格常数和磁学性质的影响，以调控退极化因素。围绕制备高质量铁磁性薄膜电极材料，结合输运性质和噪声特性等系列测试，开展掺杂效应对结构和磁性能的影响机制研究，揭示掺杂、噪声和磁性能之间的互相作用机制，形成对掺杂薄膜磁性材料性能的评估体系，探索降低噪声水平的方法。在此基础上，进行微波激励下的掺杂薄膜器件的特性研究，分析薄膜磁各向异性和噪声特性与薄膜形状尺寸之间的关系，提升器件的信号-噪声比（S/N），为该类薄膜器件的应用打下坚实的基础。

钴基哈斯勒合金是一类具有高自旋极化率、低阻尼系数、高居里温度的铁磁性金属间化合物，是用于制备各类型的磁性器件（如：弱磁传感器、磁随机存储器、自旋微波器件、自旋逻辑器件等）的潜力材料，将带来巨大的市场应用价值。但是，造成半金属材料不稳定的退极化因素以及噪声特征参数削弱这类材料的性能，限制了其在薄膜器件中的发展。本项目主要围绕Co2MnSi、Co2FeAl两类合金结构特征与磁性能之间的关系开展机理性研究。首先使用Cr来逐步代替Co2MnSi合金中Mn，发现随着Cr的增加，Co2Mn1-xCrxSi样品的居里温度不断下降，研究了Cr掺杂量对其结构和磁学性质的影响。其次，开展了基于MgO、Si和SrTiO3三种衬底材料的Co2FeAl薄膜制备，并对不同退火温度下所获得的不同厚度样品的分别进行了结构与磁学特性测试，发现较高的退火温度对材料晶格取向和界面质量影响较小，从而确保较好的磁学性能。同时，开展具有低噪声水平的测试系统的设计与调试，实现了具有低电流噪声密度和高放大倍数的Co2FeAl薄膜噪声测试，有效消除了样品接触点噪声对样品材料本底噪声的影响。结合该系统对样品的电子输运特性与噪声特性的测量，发现不同厚度的薄膜样品与衬底之间的界面应力变化对薄膜晶格结构产生影响，存在一个应力平衡点。最后，开展了微米级尺寸的哈斯勒合金自旋器件的制备与磁性能测试，发现不同的尺寸大小可以影响器件的性能。通过本项目的研究，对于钴基哈斯勒合金的结构、磁学性能、材料噪声三者的之间的内在关系有了进一步的了解，对于这类磁性薄膜材料大规模器件研发及应用打下了一定的基础。同时，薄膜材料本底微弱噪声信号的提取，小信号处理等技术也在本项目中得到验证，并已经形成了专利，在海洋探测仪器中得到了应用。