磁性多层膜中微波阻尼调制及对自旋泵浦效应影响研究

电子自旋的微波动力学研究，使自旋电子器件由静磁场调制翻转特性研究向微波调制下的高频特性研究发展，也由此产生了自旋转矩、自旋泵浦、自旋霍尔、逆自旋霍尔等一系列新的自旋效应。这些自旋效应的产生、控制、探测等均与磁矩的进动密不可分，因而如何调制磁性薄膜的进动模式、阻尼系数、铁磁共振频率以及其对现有自旋电子器件的影响、对新一代自旋电子器件的开发等成为了目前微波自旋动力学研究的关键。因此本项目将立足于此，建立铁磁/非磁性/铁磁多层膜体系磁矩进动模型，开展了磁矩间铁磁及反铁磁耦合对自旋泵浦频率影响研究；将超低气压制备手段引入其中，发现当薄膜沉积气压低于目前常规溅射气压一至两个数量级时，可实现磁性薄膜阻尼的有效调制，进一步实现对自旋泵浦效应的调控；最后，开展了NiFe（CoFe）/Cu(Ru/Ta)/ NiFe（CoFe）等多层膜制备及层间耦合效应影响研究，通过中间非磁性层厚度的改变，在NiFe/Ru/CoFe多层膜中实现了大于1000Oe的共振场调制。 2100433B

电子自旋的微波动力学研究，使自旋电子器件由静磁场调制翻转特性研究向微波调制下的高频特性研究发展，也由此产生了自旋转矩、自旋泵浦、自旋霍尔、逆自旋霍尔等一系列新的自旋效应。这些自旋效应的产生、控制、探测等均与磁矩的进动密不可分，因而如何调制磁性薄膜的进动模式、阻尼系数、铁磁共振频率以及其对现有自旋电子器件的影响、对新一代自旋电子器件的开发等成为了目前微波自旋动力学研究的关键。因此本项目将立足于此，首先开展铁磁/非磁性/铁磁薄膜、铁磁/非磁性/铁磁/反铁磁多层薄膜体系中磁矩进动、铁磁谐振及其调控机理研究；其次，在理论指导下，研究非磁性层掺杂、交换偏置场调制、磁性层性能调制、缓冲层调整、层间扩散等对多层膜体系中微波阻尼系数、磁矩进动模式的影响，探寻有效调控薄膜阻尼系数及铁磁共振的可行方法；最后，基于对磁性多层膜阻尼系数的调制，研究其对自旋泵浦效应的影响，掌握调控自旋极化流注入的有效途径。

对纳米尺度磁性器件中自旋极化电流直接调控磁矩的行为特性开展系统深入研究，将极大推进自旋转矩型磁性随机存储器和微波振荡器等新型自旋电子器件的开发。本项目针对自旋阀和磁性隧道结中自旋转矩效应的机理和其它一些关键科学技术问题开展了系列研究。在该项目资助下，共发表了24篇SCI论文(含APL 10篇)。项目执行期间主要取得以下结果：1）开发了包含自旋转移矩垂直项的微磁模拟程序，研究了磁性隧道结器件中面内和垂直项共存时电流驱动的磁动力学特性，揭示了垂直转矩项对磁化翻转的加速作用依赖于电流方向；2）设计了一种翻转速度能够提高近10倍的“垂直-面内”双自旋极化型先进自旋阀结构，并发现其自旋转矩强度表现为“不翻转、翻转、和周期振荡”三种不同的动力学行为参数空间；3）建立了经过多次散射后自旋转矩STT效率因子的解析模型。发现多次反射效应的引入不仅使STT临界翻转电流密度降低，而且会改变自由层的进动频率随电流变化的对称性，表现为负电流时频率变化迅速的特点；4）在保持强垂直各向异性的前提下，获得了一种可有效提高Co/Ni多层膜垂直矫顽力的的在位热处理方法；5）此外，在反铁磁垂直交换耦合强度的温度依赖性、磁阻尼系数的界面影响、纳米线中磁畴壁的退钉扎行为和飞秒激光调控的超快退磁过程等方面也得到不少有意义成果。

磁性金属多层膜，铁磁层和非铁磁层交替重叠构成的金属磁性多层膜。通常具有巨磁电阻效应，其中每层膜的厚度均在纳米量级。制备方法主要有溅射、蒸发和分子束外延。具有反铁磁耦合的磁性多层膜结构中，各层磁矩反向平行时电阻最大，平行时电阻最小。巨磁阻效应随多层膜周期数增加而增大，当总膜厚与传导电子平均自由程相当时，巨磁阻效应趋于饱和。

磁性隧道结是磁性随机存储器（MRAM）的首选记录单元材料，研究流过纳米存储单元的自旋极化电流所产生的转矩作用是当前国际磁学界的一个重要热点领域。与近几年研究较多的面内自旋转矩效应相比，2008年新发现的垂直自旋转矩效应是电流驱动隧道结磁化翻转的又一关键因素，对研发电流直接操控的自旋转矩型MRAM至关重要。然而有关该效应的物理机理、特性和作用等基础性研究才刚刚起步，亟待深入探讨。本课题拟采用微磁学方法，发展隧道结中的自旋转矩模型，研究垂直自旋转矩与偏压、隧道结结构对称性等因素的依赖关系，阐明垂直自旋转矩效应的物理机制，进而理论优化隧道结器件结构，探讨降低翻转电流的有效方法和途径，为发展新型电流直接驱动的MRAM奠定理论基础。