CN111293217A - 一种基于应力增强铁磁/重金属薄膜体系中电荷流-自旋流有效转换效率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于自旋电子技术领域，具体涉及一种基于应力增强铁磁/重金属薄膜体系中电荷流‑自旋流有效转换效率的方法。该方法是，利用柔性基底可弯曲特性在铁磁/重金属薄膜生长过程中施加预应力的方式增强上述铁磁/重金属薄膜体系中电荷流‑自旋流有效换效率。本发明的方法实施简单易行，实现电荷流与自旋流的高效转换，有助于基于自旋轨道耦合的电子器件的开发，具有重要的科学意义和实用价值。

Description

一种基于应力增强铁磁/重金属薄膜体系中电荷流-自旋流有 效转换效率的方法
技术领域
本发明属于自旋电子技术领域，具体涉及一种基于应力增强铁磁/重金属薄膜体系中电荷流-自旋流有效转换效率的方法。
背景技术
基于操纵电子电荷的传统的电子器件由于电荷流焦耳热效应的影响存在功耗过高的缺点。而自旋电子学器件同时利用电子的电荷和自旋属性产生和处理信息，相对于传统电子器件具有低功耗、非易失性等优点，成为新兴电子信息时代的核心竞争技术之一。
自旋流的产生、操纵和探测是自旋电子学研究的核心问题。当前，利用自旋轨道相互作用将电子自旋和轨道进行耦合，进而提供一种全电学研究自旋流的产生、操纵和探测方法的自旋轨道电子学成为自旋电子学研究的重点内容。其中受到人们广泛关注的是基于铁磁/重金属多层膜结构的的自旋霍尔效应，它利用重金属的强自旋轨道相互作用将其体内注入的电荷流转换成自旋流，从而产生自旋转移力矩影响到邻近铁磁层中的磁矩取向和磁化动力学，甚至使得邻近铁磁层的磁矩发生翻转。在自旋轨道转矩-磁随机存储器(SOT-MRAM)，自旋霍尔纳米振荡器(spin Hall nano-oscillator)等下一代信息存储和信号处理器件领域具有广泛的应用前景。
基于铁磁金属/重金属结构自旋霍尔效应的核心问题在于如何增强该体系内的有效电荷-自旋转换效率从而有力操纵铁磁层的磁矩。现有增强电荷-自旋有效转换效率的方法主要分为两类。一类是开发具有更高自旋轨道耦合相互作用的新型材料如拓扑绝缘体替代重金属层。第二类是改善界面的自旋传输损耗如在铁磁金属/重金属界面插入中间层。然而，上述方法存在工艺复杂、成本较高、适用条件受限等一系列问题，如何在简单方便的条件下更有效的增强铁磁/重金属薄膜体系中电荷流-自旋流有效转换效率成为当前自旋电子技术领域面临的重大挑战之一。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种基于应力增强铁磁/重金属薄膜体系中电荷流-自旋流有效转换效率的方法，能够实现用应力有效调控铁磁/重金属薄膜体系中电荷流-自旋流有效转换效率。
实现本发明所采用的技术解决方案为：一种基于应力增强铁磁/重金属薄膜体系中电荷流-自旋流有效转换效率的方法通过柔性可弯曲基底对铁磁金属/重金属薄膜体系生长过程中施加预应力的方式增强该体系电荷流-自旋流有效转换效率。
本发明的特点还在于：通过改变上述铁磁金属/重金属薄膜体系生长过程中施加预应力的大小可以实现该体系电荷流-自旋流有效转换效率的可控调制。
铁磁金属/重金属薄膜体系生长过程预应力的施加方法为：在薄膜生长前将柔性基底固定在不同曲率半径R的非磁金属模具上，薄膜生长完成后将其从模具上取下自然展平即可，在薄膜内产生的应变ε大小可以通过公式：ε＝T/2R计算得出，其中，T为基底和薄膜的厚度之和。
铁磁金属/重金属薄膜体系采用直流溅射法制备得到。具体按照下述方法进行：(1) 采用的柔性可弯曲衬底为云母片，薄膜生长前将其固定在不同曲率半径的非磁金属外凸模具上，所述云母片的厚度为10μm，外凸模具曲率半径为10-40mm，对应的薄膜应变ε大小为6.26‰～2.08‰。
(2)采用超高真空磁控溅射技术，沉积室本底真空度优于4×10-5Pa，氩气压为0.2～0.3 Pa，直流溅射Ta靶，在上述柔性基底表面溅射沉积金属缓冲Ta层，直流溅射功率为30-50W，溅射沉积速度为1～2nm/min。
(3)采用超高真空磁控溅射技术，沉积室本底真空度优于4×10-5Pa，氩气压为 0.2～0.3Pa，直流溅射铁磁金属靶，直流溅射功率为30-50W，溅射沉积速度为1～2nm/min。
(4)采用超高真空磁控溅射技术，沉积室本底真空度优于4×10-5Pa，氩气压为0.25Pa，直流溅射重金属靶，直流溅射功率为30-50W，溅射沉积速度为1～2nm/min。
上述金属缓冲层Ta的厚度为3-10nm，铁磁金属为Fe，Co，Ni及其合金，厚度为3-8nm，重金属为Pt，W等具有大自旋霍尔角的非磁材料，厚度为3-8nm。
铁磁金属/重金属薄膜体系中的电荷流是沿着该薄膜体系应变方向注入的。
本发明相对于现有技术相比：具体优点如下：
(1)本发明只需要在铁磁金属/重金属薄膜生长过程中施加预应力即可有效增强该体系中电荷流-自旋流有效转换效率，并且可以通过改变预应力的大小实现该体系中电荷流-自旋流有效转换效率的可控调制；
(2)本发明不需要破坏铁磁金属或重金属的组织结构和成分，具有结构简单，实施便捷，效果显著的特点，满足实际应用。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1是本发明实施例中铁磁金属/重金属薄膜体系的结构示意图。
图2是本发明实施例中对铁磁金属/重金属薄膜体系施加预应力的示意图，图2a为柔性基底固定在非磁金属外凸模具示意图，图2b为铁磁金属/重金属薄膜体系施加预应力方向示意图。
图3是本发明实施例中电荷流-自旋流有效转换效率的测量示意图。
图4是本发明实施例中电荷流-自旋流有效转换效率-薄膜应变的变化关系图。
附图标记说明：
图1中1为厚度10μm柔性云母基底，2为4nm厚的金属缓冲层Ta，3为4nm厚铁磁金属层Fe，4为5nm厚的重金属层Pt。
图2a中201为非磁金属外凸模具，曲率半径为10mm，202为柔性云母基底，厚度为10μm。
图3中，301为射频电源，302为纳伏表，303为偏置器。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
如图1所示，本实施例提供了一种基于应力增强铁磁/重金属薄膜体系中电荷流-自旋流有效转换效率的方法，所述的铁磁/重金属薄膜体系包括柔性云母基底1、金属缓冲层Ta 2、铁磁金属层Fe 3以及重金属层Pt 4。
本实施例中通过柔性可弯曲基底对铁磁金属/重金属薄膜体系生长过程中施加预应力的方式增强该体系电荷流-自旋流有效转换效率。预应力的具体施加过程如图2所示：在薄膜沉积前将柔性基底固定在图2a 201所示非磁金属外凸模具上，随后在上述柔性基底上沉积铁磁/重金属薄膜体系，待薄膜沉积完毕后将生长有上述铁磁/重金属薄膜体系的柔性基底从外凸模具上取下自然展平，即可在上述薄膜体系中施加预应变，应变方向ε沿着x方向，如图2b所示。本实施例中铁磁/重金属薄膜体系中预应变的大小是通过改变外凸模具的曲率半径实现的。
本实施中铁磁/重金属薄膜体系采用直流磁控溅射法制备得到，具体按照下述方法进行：
(1)采用的柔性可弯曲衬底为云母片，薄膜生长前将其固定在不同曲率半径的非磁
金属外凸模具上，所述云母片的厚度为10μm，外凸模具曲率半径为10-40mm。
(2)采用超高真空磁控溅射技术，沉积室本底真空度为2×10-5Pa，氩气压为0.25Pa，直流溅射Ta靶，在上述柔性基底表面溅射沉积金属缓冲Ta层，直流溅射功率为30W，溅射沉积速度为1.5nm/min。
(3)采用超高真空磁控溅射技术，沉积室本底真空度为2×10-5Pa，氩气压为0.0.3Pa，直流溅射铁磁金属靶Fe，直流溅射功率为50W，溅射沉积速度为1nm/min。
(4)采用超高真空磁控溅射技术，沉积室本底真空度优为2×10-5Pa，氩气压为0.25Pa，直流溅射重金属靶Pt，直流溅射功率为30W，溅射沉积速度为2nm/min。
上述金属缓冲层Ta的厚度为4nm，铁磁金属为Fe厚度为4nm，重金属为Pt，厚度为5nm。
本实施例还提供了测量铁磁金属/重金属薄膜体系电荷流-自旋流有效转换效率示意图，如图3所示。样品放置于磁场中，磁场方向与薄膜应变方向x呈45°。利用射频电源301沿着薄膜应变方向x注入功率为10dBm的射频电荷流Jc，由于重金属内存在的强自旋轨道耦合效应，部分电荷流被转换成横向的自旋流Js，Js产生自旋转移力矩导致铁磁层的磁矩产生振荡，继而由于各向异性磁阻效应在薄膜体系中产生一个由对称电压分量Vsym和反对称电压分量Vanti组成的直流电压Vdc。而电荷流-自旋流有效转换效率可以用有效自旋霍尔角
Figure RE-GDA0002469298320000041
进行表征，有效自旋霍尔角正比于对称电压分量Vsym和反对称电压分量Vanti的比值Vsym/Vanti。而Vsym/Vanti可以从测得的直流电压Vdc中通过洛伦兹拟合计算得到。
如图4所示，本实施例提供了Ta(4nm)/Fe(4nm)/Pt(5nm)薄膜体系中电荷流-自旋流有效转换效率随应变的变化关系。可见，当电荷流沿着薄膜应变方向注入(Jc//ε)时，随应变的增加，上述薄膜体系的电荷流-自旋流有效转换效率得到了显著的增强，从0.12 增加到0.2，增加幅度可达60％以上，而当电荷流注入方向与薄膜应变垂直时，上述薄膜体系的电荷流-自旋流有效转换效率基本保持不变。

Claims (6)

1.一种基于应力调控铁磁/重金属薄膜体系中电荷流-自旋流有效转换效率的方法，其特征在于，铁磁金属/重金属薄膜体系生长在沉积有缓冲金属层Ta的柔性可弯曲基底上，通过上述柔性基底对铁磁金属/重金属薄膜体系生长过程中施加预应力的方式增强该体系电荷流-自旋流有效转换效率。
2.根据权利要求1所述的基于应力调控铁磁/重金属薄膜体系中电荷流-自旋流有效转换效率的方法，其特征在于，铁磁金属/重金属薄膜体系生长过程不同预应力的施加方法为：在薄膜生长前将柔性基底固定在不同曲率半径的非磁金属模具上，薄膜生长完成后将其从模具上取下自然展平即可。
3.跟据权利要求2所述的基于应力调控铁磁/重金属薄膜体系中电荷流-自旋流有效转换效率的方法，其特征在于，所述铁磁金属/重金属薄膜体系采用直流溅射法制备得到；具体按照下述方法进行：采用的柔性可弯曲衬底为云母片，薄膜生长前将其固定在不同曲率半径的非磁金属模具上，然后先后沉积Ta缓冲层、铁磁金属层以及重金属层薄膜。薄膜生长温度为室温，制备过程中本底真空度优于4×10-5Pa。
4.根据权利要求3所述的基于应力调控铁磁/重金属薄膜体系中电荷流-自旋流有效转换效率的方法，其特征在于，云母片的厚度为10-100μm，金属缓冲层Ta的厚度为3-10nm，铁磁金属为Fe，Co，Ni或合金，厚度为3-8nm，重金属为Pt或W具有大自旋霍尔角的非磁材料，厚度为3-8nm。
5.根据权利要求1所述的基于应力调控铁磁/重金属薄膜体系中电荷流-自旋流有效转换效率的方法，其特征在于，铁磁金属/重金属薄膜体系中的电荷流是沿着该体系应变方向注入的。
6.根据权利要求1所述的基于应力调控铁磁/重金属薄膜体系中电荷流-自旋流有效转换效率的方法，其特征在于，曲率半径R的非磁金属模具，在薄膜内产生的应变ε大小可以通过公式：ε＝T/2R计算得出，其中，T为基底和薄膜的厚度之和。
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