寬頻帶鐵磁共振（FMR）別適合研究磁性薄膜，它不僅是基礎(chǔ)自旋電子學(xué)和磁學(xué)研究的基礎(chǔ)，而且也是當(dāng)前和未來磁存儲(chǔ)、磁性傳感器、邏輯和微波信號(hào)處理技術(shù)的組成部分。鐵磁共振測(cè)試在高頻磁學(xué)和自旋電子學(xué)有著重要的應(yīng)用，例如硬盤的讀取頭，MRAM和自旋轉(zhuǎn)矩振蕩器等。

高精度鐵磁共振儀-FMR主要征:

• 用戶操作界面友好，使用簡(jiǎn)便易用

• 使用共面波導(dǎo)的寬頻帶鐵磁共振

• 測(cè)試有效磁矩 (Meff), 各向異性參數(shù)(K), 旋磁比 (γ), 阻尼系數(shù)(α), 非均勻展寬(ΔH?)

• 高精度鐵磁共振可以測(cè)出1.4nm鈷鐵硼薄膜信號(hào)

• 可以選擇擴(kuò)展逆自旋霍爾測(cè)試

• 同時(shí)擁有掃場(chǎng)模式和掃頻模式

軟件用戶使用非常友好，操作界面分為三個(gè)部分：

• 設(shè)置掃描參數(shù)

• 運(yùn)行測(cè)試及實(shí)時(shí)觀察

• 后期處理和參數(shù)提取

高精度鐵磁共振儀-FMR設(shè)備型號(hào)

參數(shù)規(guī)格

應(yīng)用案例

■  退火后的薄膜性

Pd(8)/Cu(15)/Co(8)/Cu(8)/Ni80Fe20(4.5)/Cu(3)/Pd(3)（厚度以nm計(jì)）偽自旋閥多層膜疊層的共振磁場(chǎng)和線寬的頻率依賴性如圖1所示。薄膜疊層含有Co和Ni80Fe20兩個(gè)鐵磁層，只顯示了Ni80Fe20層的共振磁場(chǎng)和線寬。本次研究進(jìn)行了三次測(cè)量。第yi次是對(duì)原始薄膜疊層，它表現(xiàn)出高的飽和磁化強(qiáng)度和低的阻尼。然而，在隨后的兩個(gè)后退火過程（200°C持續(xù)12小時(shí)）之后，F(xiàn)MR測(cè)量顯示飽和磁化強(qiáng)度輕微降低，阻尼顯著增加。這些變化歸因于熱處理后Ni80Fe20薄膜內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變化以及附近Cu層向Ni80Fe20的相互擴(kuò)散。[1]

圖1  偽自旋閥多層膜疊層的共振場(chǎng)和線寬的頻率依賴性。原始薄膜（黑色符號(hào)和線條）顯示出與隨后退火的薄膜（紅色和藍(lán)色符號(hào)和線條）的明顯變化。

參考文獻(xiàn)

[1] A. Houshang, et al., “Effect of excitation fatigue on the synchronization of multiple nanocontact spin-torque oscillators", IEEE Magnetics Letters 5, 3000404 (2014)

■  提取合金膜的飽和磁化強(qiáng)度Ms，阻尼系數(shù)α，以及交換勁度A

除了前面描述的所有自旋通過薄膜厚度同相進(jìn)動(dòng)的均勻FMR進(jìn)動(dòng)外，在薄膜樣品中還可以激發(fā)額外的高階自旋波模式。例如，圖2（a）所示的垂直駐波自旋波（PSSW）模式可以被激發(fā)，并且可以很容易地使用高精度鐵磁共振測(cè)試儀FMR在相對(duì)較厚的薄膜（>50nm）中測(cè)量。如圖2（b）所示，可觀察到兩個(gè)共振，對(duì)應(yīng)于FMR和PSSW模式。注意，對(duì)于固定頻率，PSSW模式將出現(xiàn)在比FMR模式低的場(chǎng)中。如Yin等人所述，通過擬合PSSW模式的共振場(chǎng)，還可以測(cè)量交換勁度常數(shù)A。圖2中所示的模型系統(tǒng)是100納米厚的坡莫合金（Py）薄膜，由貴金屬合金（更具體地說是Py100-xMx）合金制成，其中M=Pt、Au或Ag。圖2（c）中所示的阻尼α、飽和磁化強(qiáng)度Ms和交換勁度A是貴金屬濃度的函數(shù)。般來說，在Py中加入Pt、Au和Ag會(huì)增加阻尼，降低飽和磁化強(qiáng)度和交換剛度。更有趣的是，發(fā)現(xiàn)Ag的加入顯著降低了MS和A，對(duì)α的影響很小。[2]

圖2 （a） 磁性薄膜中FMR和PSSW模式的示意圖。（b，插圖）f=9GHz下的掃場(chǎng)譜，它清楚地顯示了FMR和PSSW共振。（b，主圖）提取了100nm厚Py85Pt15薄膜的FMR（藍(lán)色）和PSSW（紅色）模式的共振場(chǎng)的頻率依賴性。（c） 阻尼α、飽和磁化強(qiáng)度Ms和交換勁度A的成分依賴性

參考文獻(xiàn)

[2] Y. Yin, et al., “Tunable permalloy-based films for magnonics devices", Physical Review B 92, 024427 (2015).

■  溫度依懶性研究

在不同溫度下測(cè)量FMR譜的能力對(duì)于物理和材料科學(xué)界也至關(guān)重要，因?yàn)轱柡痛呕瘡?qiáng)度、阻尼和非均勻展寬的溫度依賴性提供了對(duì)基本動(dòng)力學(xué)的進(jìn)步了解。用于Quantum Design公司的綜合物性測(cè)量系統(tǒng)（PPMS）或DynaCool的CryoFMR樣品桿允許在4→400 K的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行簡(jiǎn)單和自動(dòng)化的測(cè)量。（注：VersaLab測(cè)量平臺(tái)允許在55→400 K的范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。）

圖3(a)顯示了系列測(cè)量譜，顯示了100 nm厚的Py85Au15薄膜在寬溫度范圍內(nèi)的FMR和PSSW模式。圖3(a)的插圖顯示了FMR模式的提取線寬，用于將LabVIEW程序與PPMS、DynaCool、Versalab和MPMS3系統(tǒng)接口，計(jì)算兩種不同溫度下的磁阻尼。圖3(b)顯示了各種不同合金的自旋波勁度常數(shù)D（與交換勁度A相關(guān)的參數(shù)）的提取溫度依賴性。圖3(c)顯示了三個(gè)鐵磁薄膜樣品的飽和磁化強(qiáng)度、阻尼和非均勻展寬的溫度依賴性，在成分和沉積條件上只有微小的差異。有趣的是，對(duì)于三個(gè)樣品中的細(xì)微差異，我們觀察到了溫度依賴性在數(shù)量和趨勢(shì)上的顯著差異。[3]

圖3（a，主圖）23-350 K溫度下的共振譜。（a，插圖）兩種不同溫度下FMR模式線寬的頻率依賴性。（b） 各種坡莫基合金自旋波勁度的溫度依賴性。（c） Western Digital的Susumu Okamura博士提供了三個(gè)鐵磁薄膜樣品的MS、α和ΔHo的溫度依賴性。

參考文獻(xiàn)

[3] Y. Yin, et al., “Ferromagnetic and spin-wave resonance on heavy metal doped permalloy films: temperature effects", IEEE Magnetics Letters 8, 3502604 (2017).

■  逆自旋霍爾效應(yīng)(ISHE)

如果我們考慮個(gè)鐵磁/非磁雙層膜（如Ni80Fe20/Pd）進(jìn)行FMR，來自Ni80Fe20鐵磁層的自旋擴(kuò)散流將進(jìn)入非磁性Pd層，這歸因于已知的自旋泵浦現(xiàn)象[4]。然后通過逆自旋霍爾效應(yīng)（ISHE）[5]，自旋的擴(kuò)散流將被轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的橫向直流電壓，這在具有大自旋軌道相互作用的非磁性層（如Pt、W、Pd等）中是顯著的。圖4(A)所示的殊CPW，用于測(cè)量ISHE產(chǎn)生電壓（VISHE）的電觸點(diǎn)，并連接到NanOsc FMR光譜儀上的單輸入端。ISHE電壓是用測(cè)量FMR響應(yīng)的鎖定放大器測(cè)量的。然而，對(duì)于ISHE測(cè)量，提供了兩種不同的調(diào)制方案?？梢裕╥）使用提供的亥姆霍茲線圈調(diào)制外部磁場(chǎng)，如測(cè)量FMR響應(yīng)時(shí)所做的，或者（ii）使用內(nèi)部繼電器切斷/脈沖VISHE。兩種調(diào)制方案如圖4(b)所示，用于Ni80Fe20/Pd雙層。注意，場(chǎng)調(diào)制響應(yīng)具有類似于導(dǎo)數(shù)的曲線形狀，而脈沖調(diào)制信號(hào)與場(chǎng)調(diào)制信號(hào)相比表現(xiàn)出單峰值和提升的信噪比。

圖4 （a） 用帶有電觸點(diǎn)的殊共面波導(dǎo)進(jìn)行ISHE測(cè)量的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。（b） 采用場(chǎng)調(diào)制（頂部）或脈沖調(diào)制（底部）檢測(cè)方案，測(cè)量了Ni80Fe20/Pd雙層膜在三種典型頻率下的VISHE響應(yīng)。

參考文獻(xiàn)

[4] Y. Tserkovnyak, A. Brataas, G.E.W Bauer, “Enhanced Gilbert damping in thin ferromagnetic films", Physical Review Letters 88, 117601 (2002).

[5] J.E. Hirsch, “Spin Hall Effect", Physical Review Letters 83, 1834 (1999).

■  Nature Communications：納米接觸磁隧道結(jié)中自旋轉(zhuǎn)移力矩驅(qū)動(dòng)的高階傳播自旋波

早期的磁隧道結(jié)依靠磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)磁化翻轉(zhuǎn)，這種方式往往功耗較高，隨著工藝尺寸減小, 寫入電流將急劇增大, 難以在納米磁隧道結(jié)中推廣應(yīng)用。1996年, Slonczewski和Berger從理論上預(yù)測(cè)了種被稱為自旋轉(zhuǎn)移矩（Spin Transfer Torque, STT）的純電學(xué)的磁隧道結(jié)寫入方式，克服了傳統(tǒng)磁場(chǎng)寫入的缺點(diǎn)，并且寫入電流的大小可隨工藝尺寸的縮小而減小。2000年前后, 自旋轉(zhuǎn)移矩在實(shí)驗(yàn)上被用于實(shí)現(xiàn)金屬多層膜的磁化翻轉(zhuǎn)[6]?；诖诵?yīng)，種新型的微波振蕩器被提出來，即自旋轉(zhuǎn)移力矩納米振蕩器（STNO），用自旋化電流誘導(dǎo)納米磁體磁矩翻轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了微波振蕩。

STNO的典型結(jié)構(gòu)采用個(gè)三明治結(jié)構(gòu)“固定鐵磁層FM/非磁性層NM/自由鐵磁層FM"來實(shí)現(xiàn)，因?yàn)閮?nèi)部阻尼的作用，為了維持自振蕩，需要106-108 A/cm2的大電流密度，這可以通過在三層膜上使用納米觸點(diǎn)對(duì)電流實(shí)現(xiàn)空間壓縮來實(shí)現(xiàn)，這也是小型化磁振子器件中較有效的自旋波注入器。隧穿磁電阻(TMR)比巨磁阻(GMR)高個(gè)或多個(gè)數(shù)量，為了實(shí)現(xiàn)高效的電子自旋波讀出，磁振子器件還必須基于磁隧道結(jié)(MTJ)。

圖5  a.普通納米觸點(diǎn)振蕩器結(jié)構(gòu)；b.寬邊帽納米觸點(diǎn)振蕩器結(jié)構(gòu)；

c.磁滯回線；d.磁電阻測(cè)試：內(nèi)嵌圖為自由層的鐵磁共振頻率和面內(nèi)磁場(chǎng)關(guān)系。
（圖片來源： Nature Communications (2018) 9:4374）

與頂部金屬層相比，MTJ隧穿勢(shì)壘的導(dǎo)電性相對(duì)較低，導(dǎo)致普通納米觸點(diǎn)的大橫向電流分流（圖5a）。為了使更多的電流通過MTJ，哥德堡大學(xué)物理系的J. ?kerman課題組[7]采用了寬邊帽結(jié)構(gòu)納米觸點(diǎn)，當(dāng)MTJ覆蓋層從納米觸點(diǎn)向外延伸時(shí)，帽狀帽層逐漸變薄，并使用層1.5Ω·m2低阻面積(RA)產(chǎn)品的MgO進(jìn)步促進(jìn)隧穿勢(shì)壘(圖5b)。

圖6  不同驅(qū)動(dòng)電流下功率譜密度和磁場(chǎng)關(guān)系，

a Idc= ?5 mA, b Idc =?6 mA, c Idc= ?7 mA, d Idc = ?8 mA, e Idc = ?9 mA, and f Idc =?10 mA.

（圖片來源： Nature Communications (2018) 9:4374）

所得到的器件表現(xiàn)出與納米觸點(diǎn)STNO相關(guān)的典型自旋波模式，在不同驅(qū)動(dòng)電流下觀測(cè)到兩個(gè)二階和三階傳播自旋波模態(tài)（如圖6），這兩種模式的波長(zhǎng)估計(jì)分別為120和74納米，比150納米觸點(diǎn)小得多。該研究表明這些高階傳播的自旋波將使磁振子器件能夠在*的頻率下工作，并大大增加它們的傳輸速率和自旋波傳播長(zhǎng)度。

參考文獻(xiàn)

[6] 趙巍勝,王昭昊,彭守仲, 王樂知, 常亮, 張有光, STT-MRAM存儲(chǔ)器的研究進(jìn)展.中國(guó)科學(xué): 物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué) 46, 107306 (2016 )

[7] Houshang, A. , J. ?kerman,et al. Nature Communication (2018) 9:4374

測(cè)試數(shù)據(jù)

■  逆自旋霍爾效應(yīng)(Inverse Spin Hall Effect)

■  NiFeCu合金在不同磁場(chǎng)下，不同溫度下的鐵磁共振性

該數(shù)據(jù)的采集使用了Montana公司的恒溫器

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