稀土与3d过渡金属及合金磁性多层超薄膜阻尼因子的研究

The magnetization dynamic damping which may reduce the magnetization switching time in spintronics devices is important, especially for the Fe-based soft films. Different from the transition metals (TM), the orbital moment of the rare-earth (RE) elements is not quenched which may increase the magnetization damping constant by enhancing the spin-orbit interaction.While the saturation magnetization is always decreased because of the antiparallel alignment between the RE atomic moments and TM moments or amorphization which is seriously impact the value of application. The main purpose of the research is to increase the magnetization damping constant with higher saturation magnetization. It has been reported that RE-metal moments couple antiferromagnetically with Cr and Cr in turn couples antiferromagnetically with Fe. Hence, One of the main contents of the research is to achieve an effective ferromagnetic coupling between the RE-metal and the TM magnetic moments by insert a Cr film with proper thickness between them.The other is to study the magnetic properties of the films especially the relation between ferromagnetic resonance linewidth and magnetization dynamic damping constant by the ferromagnetic resonance.

自旋电子器件中，适当大的磁化动力学阻尼因子有利于缩短器件的开关时间，铁族软磁薄膜作为自旋电子学的基本材料，其磁化阻尼因子的研究尤为重要。与铁族过渡金属不同，稀土元素的轨道矩未被淬灭。加入稀土元素，可以增强铁族金属或合金薄膜的自旋-轨道相互作用，进而达到改善其磁化动力学阻尼因子的目的。然而稀土元素的加入往往由于其与过渡族金属的反铁磁耦合或非晶化导致薄膜饱和磁化强度的降低，严重影响其实际应用价值。本课题申请的目的就是在改善铁族薄膜磁化阻尼因子的同时使其保持较高的磁化强度。有研究表明稀土元素的磁矩和Fe的磁矩都可以实现与Cr呈反平行排列。因此本次申请的主要内容是在铁族金属或合金薄膜与稀土薄膜中加入一层薄膜Cr，通过改变Cr层的厚度，实现铁族金属或合金的磁矩与稀土呈平行排列；同时研究薄膜的磁性，重点利用铁磁共振模拟研究共振线宽与磁化动力学阻尼因子的关系。

与过渡金属不同，大多数稀土元素轨道矩未淬灭，因此通过稀土元素实现过渡金属及合金的阻尼因子(α)的调控对于自旋电子学器件的研究具有重要的意义。前期研究表明，稀土的掺杂能够不同程度的增强过渡金属及合金的α。而在过渡金属及合金薄膜中插入稀土金属层，将会如何改变过渡金属及合金的α是本项目的主要研究内容。研究中，为防止稀土的加入使得饱和磁化强度(Ms)的迅速减小，在Si衬底上制备了具有不同Cr厚度的Tb/Cr/Fe(Ni80Fe20)和Gd/Cr/Fe(Ni80Fe20)系列薄膜。研究表明，Cr层的加入确实阻止了薄膜Ms的减小。同时随着Cr厚度的增加， Tb/Cr/Ni80Fe20和Gd/Cr/Fe(Ni80Fe20)的Ms呈现类似于RKKY的振荡趋势；通过铁磁共振的共振场和线宽的拟合得到了薄膜α随Cr厚度的变化。由于Gd的轨道矩淬灭，Gd的加入使薄膜α基本保持不变，甚至减小，随着Cr厚度的增加薄膜α明显减小。Tb的轨道矩未淬灭，Tb的加入使得Tb/Cr/Ni80Fe20的α迅速增大，随着Cr厚度的增加，α迅速减小，在Cr厚度大于0.7nm后α呈振荡趋势且小于Ni80Fe20的α。相似的振荡也在Gd/Cr/Ni80Fe20中观察到。Tb/Cr/Fe薄膜中随着Cr厚度的变化并未观察到Ms和α的振荡，这是由于薄膜层间的耦合作用敏感的依赖于薄膜的界面效应，同时不同的界面效应使得阻尼因子出现增大的趋势。通过对比阻尼因子与旋磁比，得出了在自旋-泵浦效应，自旋-轨道耦合作用和界面效应引起的费米面的自旋密度n (E f )的共同影响下，导致了多层膜阻尼因子的复杂变化规律。研究得出的对阻尼因子的调控及拟合低频反常大线宽阻尼时新的拟合方法的提出，对自旋电子学器件的研发具有重要的研究价值。