CN108710018B - Fm/nm薄膜结构中获得纯净逆自旋霍尔电压的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种FM/NM薄膜结构中获得纯净逆自旋霍尔电压的方法，首先利用仿真软件找到一个铁磁薄膜长宽比值a，使得微波感应电流主要被限制在样品的测试方向；测量长宽比值为a的单层铁磁薄膜样品在φH为90°的情况下的自旋整流电压是否低于检测限度，如果低于了检测限度，就按照这个长宽比值a来制作铁磁/非铁磁双层薄膜样品；测量此铁磁/非铁磁双层薄膜样品两端在φH为90°情况下的电压，此电压就是纯净的逆自旋霍尔电压；本发明能够直接精确的获得纯净的逆自旋霍尔电压，只需一步测试过程，大大减小了工作量，避免了多次测量所带来的误差，从精确可靠的逆自旋霍尔电压值中可以提取出更加可靠的自旋相关的重要参数。

Description

FM/NM薄膜结构中获得纯净逆自旋霍尔电压的方法
技术领域
本发明属于自旋电子学研究以及自旋电子器件的技术领域，涉及一种能够直接获得纯净 逆自旋霍尔电压的方法，具体为一种FM/NM薄膜结构中直接获得纯净逆自旋霍尔电压值的 方法。
背景技术
在自旋电子学中，自旋流的产生，输运，调控和探测始终是实现自旋电子器件的最基本 和最关键的科学问题。随着研究的不断进展，目前产生自旋流的方法已有多种，比如非局域 电注入自旋流技术，声波共振注入自旋流技术，圆偏振光注入自旋流技术，基于自旋泵浦效 应(spin pumping)的自旋流注入技术。其中，自旋泵浦效应是指在铁磁薄膜材料(ferromagnetic, FM)和非磁性薄膜材料(nonmagnetic,NM)复合层状薄膜结构中，铁磁材料在铁磁共振时 产生磁矩进动，从而往非磁性金属内注入自旋流。又由于逆自旋霍尔效应(ISHE，inverse spin Hall effect)，即基于非磁性金属内自旋轨道耦合作用,自旋相反的电子向垂直于自旋流的方向 偏转,从而在非磁性金属内，自旋电子的定向移动将自旋流转化为了电荷流,通过检测样品两 端的逆自旋霍尔电压则可以表征出自旋流的大小。自旋泵浦连同逆自旋霍尔效应，形成了自 旋流的产生、输运、和探测的整个过程，为自旋电子学的发展提供了新的发展空间，注入了 新的活力。
在FM/NM结构中，铁磁共振下样品两端的电压不仅有逆自旋霍尔效应的贡献，还有FM 薄膜内的自旋整流效应(spin rectification effect,SRE)的贡献。所以样品两端实际测得的电压 是逆自旋霍尔电压(VISHE)和自旋整流电压(VSRE)的叠加。然而我们更关注的是逆自旋霍 尔电压的值，因为从中可以提取出与自旋相关的重要参数(如非磁性金属的自旋霍尔角和自 旋扩散长度)。由于VISHE随外加直流磁场的变化曲线呈现为对称的Lorentz线型，而VSRE的 曲线包含对称和反对称的Lorentz线型，所以分离这两个电压有一定的困难。
对于FM/NM结构，文献报道提取逆自旋霍尔电压的方法有：
(1)将样品直接镀在共面波导上，并假设样品内微波感应电流与微波磁场的相位差始终 为90°，这个假设直接导致VSRE只有反对称分量的贡献，所以分离出的VISHE可能是不精确的。
(2)利用TE011谐振腔来测试样品，在谐振腔中心微波的磁场分量被最大化，而电场分 量被最小化，从而最大化的抑制自旋整流信号的产生。然而谐振腔只在其谐振频率附近下工 作，所以想要用它来研究逆自旋霍尔效应的频率特性是很困难的。
(3)基于VISHE和VSRE有不同的面内磁场角度的依赖关系，通过旋转磁场角度的测量方 法来分离两者电压。然而这个方法需要大量的不同磁场角度下的测量，因此大大的增加了工 作量，带来了很多不便。
(4)基于VISHE和VSRE对自旋流注入的方向有不同的依赖关系，通过翻转样品测试来分 离两者电压。然而翻转前后样品所处的微波磁场可能会有所差异，因此提取出的VISHE可能会 有一定的误差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对上述问题或不足，为了从FM/NM结构的复合层状 薄膜样品两端的铁磁共振电压中提取出VISHE，本发明通过配置特定的样品几何尺寸和磁场配 置来抑制FM层的自旋整流信号，使其低于检测限度，而逆自旋霍尔信号并未受到影响。这 样我们在样品两端测得的信号就是纯净的逆自旋霍尔电压，然后从精确可靠的逆自旋霍尔电 压值中提取出更加可靠的自旋相关的重要参数。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种FM/NM薄膜结构中获得纯净逆自旋霍尔电压的方法，首先，利用仿真软件找到一个 铁磁薄膜长宽比值a，使得微波感应电流主要被限制在样品的测试方向；其次，测量长宽比 值为a的单层铁磁薄膜样品在φH为90°的情况下的自旋整流电压是否低于检测限度，如果低 于了检测限度，就按照这个长宽比值a来制作铁磁/非铁磁双层薄膜样品；然后，测量此铁磁 /非铁磁双层薄膜样品两端在φH为90°情况下的电压，此电压就是纯净的逆自旋霍尔电压。
作为优选方式，所述FM/NM薄膜结构中获得纯净逆自旋霍尔电压的方法，包括以下步骤：
步骤1：利用仿真软件对处于短路微带线夹具中的Ni80Fe20薄膜进行仿真，得到薄膜的长 宽比值在200以上时，薄膜内的微波感应电流主要被限制在z方向，即薄膜的长边方向；
步骤2：利用磁控溅射设备在SiO2基片上制作出单层Ni80Fe20薄膜样品，然后将样品置 于短路微带线夹具中，测试其在φH为90°情况下的自旋整流电压随外部直流磁场变化的曲线， 自旋整流信号低于了检测限度；
步骤3：在SiO2基片上依次镀上Ni80Fe20薄膜和Ta薄膜；然后测量样品在φH为90°时且 在不同频率下的电压信号随外部直流磁场变化的曲线，测得的电压就是纯净的逆自旋霍尔电 压。
作为优选方式，所述的FM/NM薄膜结构中获得纯净逆自旋霍尔电压的方法，包括以下步 骤：
步骤1：利用HFSS软件对处于短路微带线夹具中的Ni80Fe20薄膜进行仿真，得到薄膜的 长宽比值在200以上时，薄膜内的微波感应电流主要被限制在z方向，即薄膜的长边方向；
步骤2：利用磁控溅射设备和掩膜版在10×5×0.4mm3的SiO2基片上制作出横向维度为 40μm×8mm且厚度为20nm的单层Ni80Fe20薄膜样品，然后将样品置于短路微带线夹具中， 测试其在φH为90°情况下的自旋整流电压随外部直流磁场变化的曲线，自旋整流信号低于了 检测限度；
步骤3：在SiO2基片上依次镀上20nm厚的Ni80Fe20薄膜和10nm厚的Ta薄膜，薄膜的横向维度为40μm×8mm，然后测量样品在φH为90°时且在不同频率下的电压信号随外部直流 磁场变化的曲线，测得的电压就是纯净的逆自旋霍尔电压；在以上所有的测试中，微波功率 都为30dBm。
本发明的有益效果为：本发明能够直接精确的获得纯净的逆自旋霍尔电压，只需一步测 试过程，大大减小了工作量，避免了多次测量所带来的误差。测试装置是短路微带线夹具， 能够在不同的高频率下工作，因此可以研究逆自旋霍尔效应的频率特性。从精确可靠的逆自 旋霍尔电压值中可以提取出更加可靠的自旋相关的重要参数。
附图说明
图1、样品的测量方向和磁场配置的示意图；
图2、HFSS软件仿真得出的Py薄膜内微波感应电流在z方向上分量与在x方向上分量 的比值随薄膜长宽比值变化的情况；
图3、不同的横向维度且厚度为20nm的单层Py薄膜样品在φH为90°且微波频率为2.3GHz时的自旋整流电压随外部直流磁场变化的曲线，薄膜的长度固定为8mm，宽度分别为40μm、60μm、100μm、400μm；
图4、横向维度为40μm×8mm的Py(20nm)/Ta(10nm)双层薄膜样品在φH为90°时且在不同频率下的电压信号随外部直流磁场变化的曲线，图中的曲线从左到右对应于微波频率 从2GHz增大到3.8GHz，步长为0.3GHz。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露 的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加 以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精 神下进行各种修饰或改变。
一种FM/NM薄膜结构中获得纯净逆自旋霍尔电压的方法，首先，利用仿真软件找到一个 铁磁薄膜长宽比值a，使得微波感应电流主要被限制在样品的测试方向；其次，测量长宽比 值为a的单层铁磁薄膜样品在φH为90°的情况下的自旋整流电压是否低于检测限度，如果低 于了检测限度，就按照这个长宽比值a来制作铁磁/非铁磁双层薄膜样品；然后，测量此铁磁 /非铁磁双层薄膜样品两端在φH为90°情况下的电压，此电压就是纯净的逆自旋霍尔电压。
所述的FM/NM薄膜结构中获得纯净逆自旋霍尔电压的方法，具体包括以下步骤：
我们FM/NM结构的样品中所用的铁磁材料是Py(Ni80Fe20)，非磁性金属材料是Ta，样 品在短路微带线夹具中的测量方向和磁场配置如图1所示。图中l和w分别为薄膜的长和宽，
Figure RE-GDA0001782635450000041
和
Figure RE-GDA0001782635450000042
分别为Py薄膜在微波的作用下产生的感应电流在z方向上和在x方向上的分量，φH是 直流磁场
Figure RE-GDA0001782635450000043
与z方向的夹角，微波磁场
Figure RE-GDA0001782635450000048
和样品的测量方向一致，即与z方向平行。
步骤1：利用HFSS仿真软件对处于短路微带线夹具中的Py(Ni80Fe20)薄膜进行仿真， 得出Py薄膜内微波感应电流在z方向上分量与在x方向上分量的比值随薄膜长宽比值的增 大而增大的变化趋势，如图2所示。从图中可以看出薄膜长宽比值在200以上时，微波感应 电流在z方向上的分量大概是在x方向上分量的100倍以上，因此
Figure RE-GDA0001782635450000044
相对于
Figure RE-GDA0001782635450000045
可以被忽略。薄 膜内的微波感应电流主要被限制在z方向，即薄膜的长边方向；
因为VSRE依赖于铁磁薄膜内的微波感应电流，所以在
Figure RE-GDA0001782635450000046
占主导地位和
Figure RE-GDA0001782635450000047
可以被忽略的情况 下，沿着z方向测量的自旋整流信号与直流磁场角度的关系为VSRE∝sinφHsin2φH。而VISHE与微波感应电流无关，沿着z方向测量的逆自旋霍尔信号与直流磁场角度的关系为VISHE∝ sin3φH。从这两个关系可以看出在φH为90°的情况下，VSRE等于0，而VISHE达到它的最大值， 利用这个特点可以直接获得纯净的逆自旋霍尔电压。
步骤2：利用磁控溅射设备在10×5×0.4mm3的SiO2基片上制作出不同横向维度且厚度为 20nm的单层Ni80Fe20薄膜样品，薄膜的长度固定为8mm，宽度在40μm和400μm之间变化， 然后测量这些样品在φH为90°的情况下的自旋整流电压，如图3所示。为了清楚可见，图中 只展示了在微波频率为2.3GHz时的电压，可以看出，随着宽度不断减小，信号越来越弱，最 重要的是在宽度为40μm的时候，样品两端的自旋整流信号已经低于了检测限度。也就是说， 实验数据得出的结果与前面仿真得出的JZ/JX随着l/w增大而增大，且在l/w为200以上时，
Figure RE-GDA0001782635450000049
占主导地位的结果一致。
步骤3：在SiO2基片上依次镀上20nm厚的Ni80Fe20薄膜和10nm厚的Ta薄膜，薄膜的横向维度是40μm×8mm。然后测量样品在φH为90°时且在不同频率下的电压信号随外部直流 磁场变化的曲线，实验数据如图4所示。从图中可以看出，所有频率下的电压信号随外加直 流磁场的变化曲线基本呈现完美对称的Lorentz线型，再结合前面横向维度为40μm×8mm的 Py薄膜样品的自旋整流信号低于检测限度的实验结果，可以断定测量的信号基本就是纯净的 逆自旋霍尔电压。在以上所有的测试中，微波功率都为30dBm。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技 术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所 属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效 修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (3)

1.一种FM/NM薄膜结构中获得纯净逆自旋霍尔电压的方法，其特征在于：首先，利用仿真软件找到一个铁磁薄膜长宽比值a，使得微波感应电流主要被限制在样品的测试方向，即铁磁薄膜样品的长边方向；其次，测量长宽比值为a的单层铁磁薄膜样品在ϕ H 为90°的情况下的自旋整流电压是否低于检测限度，ϕ H 是铁磁薄膜平面内的外部直流磁场与长边方向的夹角，如果低于了检测限度，就按照这个长宽比值a来制作铁磁/非铁磁双层薄膜样品；然后，测量此铁磁/非铁磁双层薄膜样品两端在ϕ H 为90°情况下的电压，此电压就是纯净的逆自旋霍尔电压。
2.根据权利要求1所述的FM/NM薄膜结构中获得纯净逆自旋霍尔电压的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：利用仿真软件对处于短路微带线夹具中的Ni80Fe20薄膜进行仿真，得到薄膜的长宽比值在200以上时，薄膜内的微波感应电流主要被限制在z方向，即薄膜的长边方向；
步骤2：利用磁控溅射设备在SiO2基片上制作出单层Ni80Fe20薄膜样品，然后将样品置于短路微带线夹具中，测试其在ϕ H 为90°情况下的自旋整流电压随外部直流磁场变化的曲线，自旋整流电压低于了检测限度；
步骤3：在SiO2基片上依次镀上Ni80Fe20薄膜和Ta薄膜；然后测量样品在ϕ H 为90°时且在不同微波频率下的电压信号随外部直流磁场变化的曲线，测得的电压就是纯净的逆自旋霍尔电压。
3.根据权利要求1所述的FM/NM薄膜结构中获得纯净逆自旋霍尔电压的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：利用HFSS软件对处于短路微带线夹具中的Ni80Fe20薄膜进行仿真，得到薄膜的长宽比值在200以上时，薄膜内的微波感应电流主要被限制在z方向，即薄膜的长边方向；
步骤2：利用磁控溅射设备和掩膜版在10×5×0.4 mm3的SiO2基片上制作出横向维度为40μm×8mm且厚度为20nm的单层Ni80Fe20薄膜样品，然后将样品置于短路微带线夹具中，测试其在ϕ H 为90°情况下的自旋整流电压随外部直流磁场变化的曲线，自旋整流电压低于了检测限度；
步骤3：在SiO2基片上依次镀上20nm厚的Ni80Fe20薄膜和10nm厚的Ta薄膜，薄膜的横向维度为40μm×8mm，然后测量样品在ϕ H 为90°时且在不同微波频率下的电压信号随外部直流磁场变化的曲线，测得的电压就是纯净的逆自旋霍尔电压；在以上所有的测试中，微波功率都为30dBm。
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