CN110724909A - 低阻尼大自旋霍尔角的稀土基合金材料及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低阻尼大自旋霍尔角的稀土基合金材料及其制备方法，属于自旋电子学新材料技术领域。该材料为铜铽合金薄膜，其组分为Cu1‑xTbx，0.05＜x≤0.47，晶体结构为非晶。本发明通过调控铽元素的比例，可以调节材料的自旋霍尔角与自旋混合电导，使得体系同时具有高的自旋霍尔角度与较低的磁阻尼，可以满足高效低能耗的新型自旋电子学器件的使用需求。

Description

低阻尼大自旋霍尔角的稀土基合金材料及其制备方法
技术领域
本发明属于自旋电子学新材料技术领域，尤其涉及一种稀土基的铜铽合金材料及其制备方法。
背景技术
自旋电子学器件由于其高响应速度与低能耗的特点是下一代磁存储与逻辑器件的关键部件，近年来应用发展迅速。其中，源自自旋轨道耦合作用的自旋霍尔效应(SpinHall Effect)由于可以在施加横向电流时产生纵向的自旋电流，更是研究热点。自旋霍尔角作为表征自旋霍尔效应强度的重要参量，代表了电流与自旋流的转换效率。而大的自旋霍尔角意味着自选转移矩的高效产生与能量损耗的降低。因此对于获得更大的自旋霍尔角度，长期以来都是自旋电子学领域的核心问题，具有重要的学术研究价值与应用价值。
目前，相关研究与应用主要集中在重金属层/磁性层异质结体系，常常采用铂（自旋霍尔角约为0.1）、钽（自旋霍尔角约为-0.12）等。高性能器件的迅猛发展依赖于寻找新型的大自旋霍尔角的材料。稀土材料由于其强烈的自旋轨道耦合作用，具有巨大的应用潜力。然而由于重稀土材料的高自旋混合电导引起的强自旋泵浦效应，导致了体系的磁阻尼迅速增大，难以通过自旋转矩铁磁共振的方法有效分析自旋霍尔角，同时巨大的磁阻尼也不利于降低器件的临界电流密度，严重限制了重稀土材料在自旋电子学领域的发展。
发明内容
本发明针对现有技术中的自旋霍尔角较小与磁阻尼因子过大的缺陷，提供了一种大自旋霍尔角合金材料及其制备方法，以实现低成本高效率获得大自旋霍尔角材料同时保持较小的磁阻尼因子。
本发明提供的一种大自旋霍尔角合金材料，所述材料为铜铽合金薄膜材料，其组分为Cu1-xTbx，且其中0.05＜x≤0.47。
作为优选，该材料的最大自旋霍尔角可达0.32。
作为优选，该材料的最低磁阻尼可至0.0045。
作为优选，所述铜铽合金薄膜的厚度为5-20nm。
本发明提供的一种低阻尼大自旋霍尔角合金材料的制备方法，利用物理气相沉积技术生长，包括如下步骤：
（1）在腔体的本底真空度低于1 ×10-7 mTorr的条件下，通入氩气，其气体流量控制在10-40 sccm；
（2）起辉，待辉光稳定后，在2-5mTorr的工作气压下，先生长一层Co40Fe40B20磁性层，再分别以20-75W的直流功率对铽靶材，以30-250W交流功率对铜靶材进行共溅射，沉积Cu1- xTbx薄膜。
作为一种优选的技术方案，所述铜靶材中铜的纯度高于99.99%，铽靶材中铽的纯度高于99.99%。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
（1）在显著提高自旋霍尔角的同时保持低阻尼值，满足高运行速度低功耗的新型自旋电子学器件的发展需求。
（2）本发明有利于进一步高效利用稀土资源，操作简便，成本较低，适用于工业生产。
附图说明
图1为实施例1-4的CoFeB(20 nm)/Cu1-xTbx(10 nm)体系的自旋转矩铁磁共振(ST-FMR)的共振谱线。
图2为实施例1-4的CoFeB(20 nm)/Cu1-xTbx(10 nm)体系的共振线宽随微波频率变化曲线。
图3为对比例1-2的自旋转矩铁磁共振(ST-FMR)的共振谱线。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。
本发明通过自旋转矩铁磁共振，拟合得到薄膜材料的对称部分电压与非对称电压，测试获得所述铜铽合金薄膜的自旋霍尔角度。从铁磁共振线宽随频率变化的关系，可以获得该体系的有效磁阻尼因子。
实施例1
低阻尼大自旋霍尔角合金材料的制备方法，包括如下步骤：
①、采用高纯硅作为衬底，先后经过丙酮、异丙醇在超声振荡器中清洗，用干燥氮气吹干，保证衬底表面洁净；
②、将高纯（高于99.99%）铜靶材和高纯（高于99.99%）铽靶材安装在高真空磁控溅射镀膜仪中相应靶位；
③、将步骤①中衬底放入高真空磁控溅射镀膜仪中制备Cu0.95Tb0.05合金薄膜，具体过程为：
（1）在腔体的本底真空度低于1 ×10-7 mTorr的条件下，通入氩气，其气体流量控制在20sccm。
（2）在20 mTorr气压下，打开溅射电源，同时对铜靶材与铽靶材进行起辉。
（3）待辉光稳定后，在2mTorr的工作气压下，打开靶材的挡板，进行薄膜的生长。先生长一层厚度为20nm的Co40Fe40B20磁性层，再分别以20W的直流功率与250W交流功率对铽靶材与铜靶材进行共溅射。
（4）薄膜生长时，保持样品台匀速自转，控制室温生长，到达预设的生长时间后，关闭溅射电源和靶材挡板，获得厚度为10nm的所述的合金薄膜材料。
如图1所示，为本实施例所得到的合金薄膜材料的自旋转矩铁磁共振谱图，通过拟合得到薄膜材料的对称部分电压与非对称电压，通过计算获得该材料的自旋霍尔角。该材料的自旋霍尔角度为0.1。而如图2所示，从铁磁共振线宽随频率变化的关系，可以获得该材料的有效磁阻尼因子。该材料的有效磁阻尼因子为0.0045。
实施例2
低阻尼大自旋霍尔角合金薄膜材料的制备方法，包括如下步骤：
①、采用高纯硅作为衬底，先后经过丙酮、异丙醇在超声振荡器中清洗，用干燥氮气吹干，保证衬底表面洁净；
②、将高纯（高于99.99%）铜靶材和高纯（高于99.99%）铽靶材安装在高真空磁控溅射镀膜仪中相应靶位；
③、将步骤①中衬底放入高真空磁控溅射镀膜仪中制备Cu0.87Tb0.13合金薄膜，具体过程为：
（1）在腔体的本底真空度低于1× 10-7 mTorr的条件下，通入氩气，其气体流量控制在20sccm。
（2）在20 mTorr气压下，打开溅射电源，同时对铜靶材与铽靶材进行起辉。
（3）待辉光稳定后，在2mTorr的工作气压下，打开靶材的挡板，进行薄膜的生长。先生长一层厚度为20nm的Co40Fe40B20磁性层，再分别以50W的直流功率与200W交流功率对铽靶材与铜靶材进行共溅射。
（4）薄膜生长时，保持样品台匀速自转，控制室温生长，到达预设的生长时间后，关闭溅射电源和靶材挡板，获得厚度为10nm的所述的合金薄膜材料。
如图1所示，为本实施例所得到的合金薄膜材料的自旋转矩铁磁共振谱图，通过拟合得到薄膜材料的对称部分电压与非对称电压，通过计算获得该材料的自旋霍尔角。该材料的自旋霍尔角度为0.15。而如图2所示，从铁磁共振线宽随频率变化的关系，可以获得该材料的有效磁阻尼因子。该材料的有效磁阻尼因子为0.0062。
实施例3
大自旋霍尔角合金薄膜材料的制备方法，包括如下步骤：
①、采用高纯硅作为衬底，先后经过丙酮、异丙醇在超声振荡器中清洗，用干燥氮气吹干，保证衬底表面洁净；
②、将高纯（高于99.99%）铜靶材和高纯（高于99.99%）铽靶材安装在高真空磁控溅射镀膜仪中相应靶位；
③、将步骤①中衬底放入高真空磁控溅射镀膜仪中制备Cu0.78Tb0.22合金薄膜，具体过程为：
（1）在腔体的本底真空度低于1×10-7 mTorr的条件下，通入氩气，其气体流量控制在20sccm。
（2）在20 mTorr气压下，打开溅射电源，同时对铜靶材与铽靶材进行起辉。
（3）待辉光稳定后，在2mTorr的工作气压下，打开靶材的挡板，进行薄膜的生长。先生长一层厚度为20nm的Co40Fe40B20磁性层，再分别以75W的直流功率与150W交流功率对铽靶材与铜靶材进行共溅射。
（4）薄膜生长时，保持样品台匀速自转，控制室温生长，到达预设的生长时间后，关闭溅射电源和靶材挡板，获得厚度为10nm的所述的合金薄膜材料。
如图1所示，为本实施例所得到的合金薄膜材料的自旋转矩铁磁共振谱图，通过拟合得到薄膜材料的对称部分电压与非对称电压，通过计算获得该材料的自旋霍尔角。该材料的自旋霍尔角度为0.23。而如图2所示，从铁磁共振线宽随频率变化的关系，可以获得该材料的有效磁阻尼因子。该材料的有效磁阻尼因子为0.0102。
实施例4
大自旋霍尔角合金薄膜材料的制备方法，包括如下步骤：
①、采用高纯硅作为衬底，先后经过丙酮、异丙醇在超声振荡器中清洗，用干燥氮气吹干，保证衬底表面洁净；
②、将高纯（高于99.99%）铜靶材和高纯（高于99.99%）铽靶材安装在高真空磁控溅射镀膜仪中相应靶位；
③、将步骤①中衬底放入高真空磁控溅射镀膜仪中制备Cu0.53Tb0.47合金薄膜，具体过程为：
（1）在腔体的本底真空度低于1× 10-7 mTorr的条件下，通入氩气，其气体流量控制在20sccm。
（2）在20 mTorr气压下，打开溅射电源，同时对铜靶材与铽靶材进行起辉。
（3）待辉光稳定后，在2mTorr的工作气压下，打开靶材的挡板，进行薄膜的生长。先生长一层厚度为20nm的Co40Fe40B20磁性层，再分别以75W的直流功率与60W交流功率对铽靶材与铜靶材进行共溅射。
（4）薄膜生长时，保持样品台匀速自转，控制室温生长，到达预设的生长时间后，关闭溅射电源和靶材挡板，获得厚度为10nm的所述的合金薄膜材料。
如图1所示，为本实施例所得到的合金薄膜材料的自旋转矩铁磁共振谱图，通过拟合得到薄膜材料的对称部分电压与非对称电压，通过计算获得该材料的自旋霍尔角。该材料的自旋霍尔角度为0.32。而如图2所示，从铁磁共振线宽随频率变化的关系，可以获得该材料的有效磁阻尼因子。该材料的有效磁阻尼因子为0.0212。
对比例1
制备对比例采用如下步骤：
①、采用高纯硅作为衬底，先后经过丙酮、异丙醇在超声振荡器中清洗，用干燥氮气吹干，保证衬底表面洁净；
②、将高纯（高于99.99%）铜靶材和高纯（高于99.99%）铽靶材安装在高真空磁控溅射镀膜仪中相应靶位；
③、将步骤①中衬底放入高真空磁控溅射镀膜仪中制备Cu0.99Tb0.01合金薄膜，具体过程为：
（1）在腔体的本底真空度低于1 ×10-7 mTorr的条件下，通入氩气，其气体流量控制在20sccm。
（2）在20 mTorr气压下，打开溅射电源，同时对铜靶材与铽靶材进行起辉。
（3）待辉光稳定后，在2mTorr的工作气压下，打开靶材的挡板，进行薄膜的生长。先生长一层厚度为20nm的Co40Fe40B20磁性层，再分别以250W的直流功率与10W交流功率对铽靶材与铜靶材进行共溅射。
（4）薄膜生长时，保持样品台匀速自转，控制室温生长，到达预设的生长时间后，关闭溅射电源和靶材挡板，获得厚度为5nm的所述的合金薄膜材料。
如图3（a）所示，为本对比例所得到的Cu0.99Tb0.01合金薄膜的自旋转矩铁磁共振谱图，通过拟合得到薄膜材料的对称部分电压与非对称电压，通过计算获得该材料的自旋霍尔角，该材料的自旋霍尔角度为0.002。而采用Cu0.53Tb0.47合金薄膜的自旋霍尔角度为0.32，增大了160倍。
对比例2
制备对比例2采用如下步骤：
①、采用高纯硅作为衬底，先后经过丙酮、异丙醇在超声振荡器中清洗，用干燥氮气吹干，保证衬底表面洁净；
②、将高纯（高于99.99%）铜靶材和高纯（高于99.99%）铽靶材安装在高真空磁控溅射镀膜仪中相应靶位；
③、将步骤①中衬底放入高真空磁控溅射镀膜仪中制备Cu0.24Tb0.76合金薄膜，具体过程为：
（1）在腔体的本底真空度低于1 ×10-7 mTorr的条件下，通入氩气，其气体流量控制在20sccm。
（2）在20 mTorr气压下，打开溅射电源，同时对铜靶材与铽靶材进行起辉。
（3）待辉光稳定后，在2mTorr的工作气压下，打开靶材的挡板，进行薄膜的生长。先生长一层厚度为20nm的Co40Fe40B20磁性层，再分别以150W的直流功率与60W交流功率对铽靶材与铜靶材进行共溅射。
（4）薄膜生长时，保持样品台匀速自转，控制室温生长，到达预设的生长时间后，关闭溅射电源和靶材挡板，获得厚度为10nm的所述的合金薄膜材料。
如图3（b）所示，为本对比例所得到的Cu0.24Tb0.76合金薄膜的自旋转矩铁磁共振谱图，由于过大的磁阻尼系数，无法获得有效的洛伦兹线型的共振曲线即无法获得有效的自旋霍尔角度与磁阻尼因子，限制了其在自旋电子学器件领域的应用。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，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实质和原理下，对上述实例进行改变、修饰、替代、组合、简化。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，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种低阻尼大自旋霍尔角的稀土基合金材料，其特征在于，该材料为铜铽合金薄膜，其组分为Cu1-xTbx，且其中0.05＜x≤0.47。
2.如权利要求1所述的材料，其特征在于，该材料的最大自旋霍尔角为0.32。
3.如权利要求1所述的材料，其特征在于，该材料的最低磁阻尼为0.0045。
4.如权利要求1所述的材料，其特征在于，该材料的厚度为5-20nm。
5.如权利要求1所述的材料，其特征在于，该材料为非晶结构材料。
6.如权利要求1-5任一所述的材料的制备方法，其特征在于，利用物理气相沉积技术生长，包括如下步骤：
(1)在腔体的本底真空度低于1×10-7mTorr的条件下，通入氩气，其气体流量控制在10-40sccm；
(2)起辉，待辉光稳定后，在2-5mTorr的工作气压下，先生长一层Co40Fe40B20磁性层，再分别以20-75W的直流功率对铽靶材，以30-250W交流功率对铜靶材进行共溅射，得到所述薄膜材料Cu1-xTbx。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，铜靶材中铜的纯度高于99.99％，铽靶材中铽的纯度高于99.99％。
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