非晶態(tài)磁性納米薄膜的磁性質(zhì)研究.pdf

1、Co-Fe基非晶態(tài)磁性納米薄膜是近年來自旋電子學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)材料，由于相比晶態(tài)薄膜具有很多優(yōu)勢(shì)，例如結(jié)構(gòu)均勻、軟磁性好、磁各向異性便于調(diào)控、在磁性隧道結(jié)中能呈現(xiàn)非常高的磁電阻、耐腐蝕、易于實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)等，因此吸引了眾多的研究興趣。不同成分的Co-Fe基非晶態(tài)薄膜能夠保持高磁化強(qiáng)度、很高的居里溫度、高磁導(dǎo)率、以及很低的矯頑力從而易于磁化翻轉(zhuǎn)，具有很好的潛在應(yīng)用價(jià)值，因此對(duì)其磁各向異性的調(diào)控及相應(yīng)微觀機(jī)制的研究顯得極為重要。而鐵磁共振因其

2、動(dòng)力學(xué)特性而對(duì)磁各向異性靈敏度非常高，并能提供層間耦合、自旋弛豫機(jī)制、樣品不均勻性等重要信息，因此是研究磁性薄膜/多層膜的有力工具。
　　本論文以非晶態(tài)Co68Fe24Zr8三明治結(jié)構(gòu)薄膜（雙層膜）、單層薄膜、以及Co20Fe60B20超薄膜為研究對(duì)象，采用單頻率或多頻率下室溫和低溫時(shí)面內(nèi)或面外角度依賴性鐵磁共振作為主要研究方法，輔以頻率依賴性鐵磁共振和超導(dǎo)量子干涉儀測(cè)量磁矩等研究手段，研究了用不同方法（包括生長(zhǎng)時(shí)的外加磁場(chǎng)、改變

3、厚度、改變溫度等）對(duì)面內(nèi)、面外磁各向異性的調(diào)控，磁各向異性的來源或微觀機(jī)制，調(diào)控磁各向異性的機(jī)制，自旋弛豫機(jī)制，以及磁性微觀結(jié)構(gòu)。主要成果為:
　　(1)通過改變生長(zhǎng)時(shí)外加磁場(chǎng)的方向，可以對(duì)Co68Fe24Zr8/Al70Zr30/Co68Fe24Zr8三明治結(jié)構(gòu)中各層Co68Fe24Zr8非晶態(tài)磁性薄膜的面內(nèi)單軸各向異性實(shí)現(xiàn)獨(dú)立地調(diào)控，使其定位在任意方向，而強(qiáng)度保持在(2.9±0.1)×103J/m3不變。同時(shí)兩磁性層也不存在層

4、間耦合，從而在自旋電子學(xué)多層膜結(jié)構(gòu)的應(yīng)用中能夠使各磁性層之間完全獨(dú)立。
　　(2)通過多頻轉(zhuǎn)角鐵磁共振研究中理論擬合得到的g因子和低溫下轉(zhuǎn)角鐵磁共振研究得到的面內(nèi)單軸各向異性隨溫度的變化關(guān)系研究了各向異性的來源，表明Co68Fe24Zr8非晶態(tài)磁性薄膜的宏觀面內(nèi)單軸各向異性來源于大量具有局域單軸各向異性的短程有序的原子團(tuán)簇，其局域各向異性機(jī)制為單離子各向異性。
　　(3)通過對(duì)比生長(zhǎng)時(shí)外加磁場(chǎng)狀態(tài)不同的三個(gè)Co68Fe24Z

5、r8非晶態(tài)磁性單層薄膜，研究了薄膜的磁性微觀結(jié)構(gòu)和調(diào)控磁各向異性的機(jī)制。通過建立磁性微觀模型和理論模擬，進(jìn)一步證明薄膜宏觀面內(nèi)單軸各向異性的來源是大量在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上無規(guī)則分布的、具有短程序和局域單軸各向異性的原子團(tuán)簇。研究表明這種局域單軸各向異性的方向呈高斯分布，并且可以在樣品生長(zhǎng)時(shí)被外加生長(zhǎng)磁場(chǎng)定位到同一方向，而局域各向異性常數(shù)Kloc2‖值不受生長(zhǎng)場(chǎng)影響，保持在（3.0±0.2）×103J/m3，這便是調(diào)控Co68Fe24Zr8非晶態(tài)

6、薄膜面內(nèi)單軸各向異性的機(jī)制。
　　(4)對(duì)生長(zhǎng)時(shí)加面內(nèi)磁場(chǎng)的Co68Fe24Zr8非晶態(tài)單層膜進(jìn)行的頻率依賴性鐵磁共振研究，對(duì)線寬的頻率依賴性的擬合表明，薄膜中具有局域各向異性的原子團(tuán)簇內(nèi)部的自旋弛豫機(jī)制以本征(Gilbert)阻尼機(jī)制為主，得到Gilbert阻尼因子α=(6.1±0.1)×10-3，與上述模擬得到的參數(shù)吻合很好，因而是上述磁性微觀模型的一個(gè)佐證。同時(shí)也給出了薄膜中存在非本征線寬機(jī)制。
　　(5)通過改變Co

7、20Fe60B20超薄膜的厚度，可以調(diào)控其面外即垂直單軸各向異性，使其易磁化軸取向?yàn)楸∧っ鎯?nèi)（較厚）或者薄膜法向（較?。?。調(diào)控機(jī)制為薄膜二級(jí)垂直各向異性場(chǎng)2K1/2/Ms（易垂直）與退磁場(chǎng)μ0Ms（易平面）之間的競(jìng)爭(zhēng)。隨著膜厚減小，二級(jí)垂直各向異性常數(shù)K⊥2增加，而飽和磁化強(qiáng)度衰減，使得二級(jí)垂直各向異性場(chǎng)逐漸大于薄膜退磁場(chǎng)，薄膜磁矩愈加傾向于沿薄膜法向排列。
　　(6)選擇厚度合適的Co20Fe60B20超薄膜，通過改變其溫度，也

8、可以調(diào)控其面外各向異性，使其隨溫度降低由二度對(duì)稱向四度對(duì)稱過渡。其調(diào)控的直接機(jī)制為二級(jí)、四級(jí)有效垂直各向異性場(chǎng)Beff2和Beff4數(shù)值相當(dāng)且隨溫度降低而分別遞減與遞增。選取厚度合適的薄膜使其二級(jí)垂直各向異性場(chǎng)2K1/2/Ms與退磁場(chǎng)μ0Ms數(shù)值相當(dāng)，Beff2數(shù)值很小，與Beff4相當(dāng)，因而是用厚度和溫度共同實(shí)現(xiàn)了對(duì)磁各向異性的調(diào)控。
　　(7)Co20Fe60B20超薄膜二級(jí)、四級(jí)垂直各向異性常數(shù)隨溫度的變化K1/2(T)和K