CN113054096A - 一种调控磁性薄膜本征阻尼因子的方法 - Google Patents

一种调控磁性薄膜本征阻尼因子的方法 Download PDF

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Abstract

一种调控NiFe薄膜磁性本征阻尼因子的方法，使用电子束蒸发生长方法在Si基片上沉积出20±10nm厚的带状长条NiFe薄膜；带状长条的长度为宽度的20‑200倍。对于生长后的样品，在NiFe薄膜带状长条两端引出电极A和B，通过电极A和B向NiFe带状长条中注入电流，所述的外加注入电流密度为1‑6×105A/cm2。本发明基于NiFe带状长条结构。可实现通过A和B电极间的电流密度，控制改变NiFe薄膜的本征阻尼因子。

Description

一种调控磁性薄膜本征阻尼因子的方法
技术领域
本发明涉及微电子材料制备技术领域，更具体地，涉及基于利用外加电流调控磁性薄膜的本征阻尼因子。
背景技术
磁性薄膜的本征阻尼因子是磁子学器件中的一个重要物理参数，其决定了自旋驰豫时间和磁矩翻转速度。因此在自旋电子学器件的设计和制备中，必须考虑材料阻尼因子的大小，以设计满足性能指标的磁子学器件。例如在磁性随机存储器中，其工作时的临界翻转电流密度与自由层薄膜的本征阻尼因子成正比，而翻转时间和本征阻尼因子成反比，因此需要选取适当的本征阻尼因子，才能保证磁性随机存储器实现在较低的外加电流下正常工作，且响应时间满足性能要求。可见，实现稳定可控调节薄膜的本征阻尼因子十分重要。已有一些技术手段可以调控薄膜的本征阻尼因子大小，并可分为内禀调控和外部调控。改变磁性薄膜的厚度、更换磁性薄膜薄保护层、调整多层薄膜生长顺序等方法，可实现调控薄膜的本征阻尼因子，这些方法属于内禀调控。而对磁性薄膜施加外加激光或外部电场，也可调控磁性薄膜的本征阻尼因子，属于外部调控。
本申请人课题组提出过一种调控MRAM材料阻尼因子的方法(202010303659X)，通过磁控溅射方法生长材料结构Ta/CoFeB/MgO和MgO/CoFeB/Ta：利用时间分辨磁光克尔效应测量磁性材料的阻尼因子。本发明调控MRAM材料阻尼因子的方法由材料生长次序实现(见图1)。通过改变Ta/CoFeB/MgO材料体系的生长次序来改变该阻尼因子，CoFeB/MgO界面形成垂直各向异性，并且Ta/CoFeB界面形成的上下位置在飞秒激光照射时对进动的影响不同，进而改变阻尼因子。但飞秒激光照射控制比较不易，调控的对象也非更加性能可靠的NiFe合金磁性薄膜材料。
发明内容
本发明目的是，提出一种调控NiFe薄膜磁性本征阻尼因子的方法，即在NiFe薄膜中通入外部电流，其本征阻尼因子会出现200％的增强。
本发明技术方案是：一种调控磁性薄膜本征阻尼因子的方法，尤其是调控NiFe薄膜磁性本征阻尼因子的方法，使用电子束蒸发生长方法在(商用)Si基片上沉积出20±10nm厚的NiFe薄膜；尤其是生长出带状长条NiFe薄膜；如生长过程中采用宽度为500μm的掩膜版覆盖于Si基片上，以此得到宽度为500μm的带状长条，带状长条的长度为宽度的20-200倍。对于生长后的样品，在NiFe薄膜带状长条两端引出电极A和B，通过电极A和B向NiFe带状长条中注入电流。
所述的磁性金属材料为NiFe。
所述的NiFe带状长条中，NiFe带状长条的宽度为500μm，厚度为20nm。
所述的外加电流，具体到NiFe带状长条中，其电流密度为1×105-6×105A/cm2。
本发明为提高通入NiFe薄膜中的电流密度，使用掩膜版生长法将NiFe薄膜制备为500μm宽的带状条。当NiFe带状薄膜中的电流密度从0增加到3×105A/cm2时，NiFe薄膜的本征阻尼因子从0.11增加到0.22。
有益效果，本发明基于NiFe带状长条结构。可实现通过A和B电极间的电流密度，控制改变NiFe薄膜的本征阻尼因子。控制调节方便和准确。
附图说明
图1为电流调控NiFe本征阻尼因子的具体实施示意图。
图2为不同外加电流密度下，NiFe薄膜时间分辨的磁光克尔系统测量得到的阻尼振荡曲线。
图3为不同外加电流密度下，由时间分辨的磁光克尔系统测量结果，计算得到的NiFe薄膜的本征阻尼因子。
具体实施方式
如图所示，一种调控磁性薄膜本征阻尼因子的方法，涉及利用电子束蒸发生长NiFe薄膜的生长方法。其中带状NiFe薄膜的宽度为500μm，厚度为20nm。通过对NiFe薄膜中通入电流，采用时间分辨的磁光克尔系统测量薄膜的本征阻尼因子。实现了外加电流稳定改变NiFe薄膜的本征阻尼因子；所述的磁性材料为NiFe。所述的带状NiFe薄膜宽度为500μm，厚度为20nm。
所述的时间分辨的磁光克尔系统测量薄膜的本征阻尼因子，实验测量是在室温下进行。
所述的时间分辨的磁光克尔系统测量方法，泵浦光流密度为2.1mJ/cm2。
使用Si基片来制备带状NiFe薄膜。Si衬底经过丙酮溶液超声清洗60秒后，再用蒸馏水冲洗后得到干净的Si衬底表面。然后将Si衬底放置于电子束蒸发腔体中，并在其表面覆盖宽度为500μm的掩膜版(能露出带状)，以直接生长带状NiFe薄膜。当腔体中真空度降低到2×10-6毫巴以下时，开始蒸镀的NiFe薄膜，直至NiFe薄膜的厚度达到20nm。生长结束后，在宽度为500μm的带状NiFe薄膜两端附加A、B两个电极，采用外部电流源通过A、B电极将电流通入带状NiFe薄膜中，带状NiFe薄膜样品如图1中所示。
NiFe带状薄膜中的电流密度从小增加到1×105A/cm2、3×105A/cm2、5×105A/cm2、6×105A/cm2；电流密度从小逐渐增加，本征阻尼因子从0.11增加到0.22以上，NiFe带状薄膜中的电流密度从大1×105A/cm2、3×105A/cm2、5×105A/cm2、6×105A/cm2再逐渐减少到0，本征阻尼因子有所减少，本征阻尼因子测量方法如下述。
时间分辨的磁光克尔效应测量本征阻尼因子的理论基础：当泵浦脉冲光入射到样品表面时，温度迅速升高的热电子会将温度传递给自旋，导致超快退磁。与此同时，由于电子-声子散射，磁性薄膜的晶格温度也会同步升高，进而改变磁性薄膜的各向异性。因此，瞬态出现的有效退磁场
Figure BDA0002959245570000031
会偏离原本有效场
Figure BDA0002959245570000032
的平衡位置，同时磁化强度
Figure BDA0002959245570000033
在
Figure BDA0002959245570000034
的作用下总会与
Figure BDA0002959245570000035
方向保持一致，并偏离原本
Figure BDA0002959245570000036
的初始位置。一般情况下，在10ps以内薄膜体系的温度会回归到初始温度，即磁性薄膜的各向异性也会在10ps内迅速恢复，导致有效场
Figure BDA0002959245570000037
回到初始位置。然而，磁化强度
Figure BDA0002959245570000038
在
Figure BDA0002959245570000039
的作用下依旧偏离
Figure BDA00029592455700000310
因此会继而发生磁矩阻尼进动。磁化强度
Figure BDA00029592455700000311
会以
Figure BDA00029592455700000312
为轴做阻尼进动，直至方向完全指向
Figure BDA00029592455700000313
时间分辨的磁光克尔系统中，通过延迟线不断增加探测光落后于泵浦光的时间差Δt，探测光的光强变化可以给出
Figure BDA00029592455700000314
绕
Figure BDA00029592455700000315
做阻尼进动的动力过程，如图2中所示的阻尼振荡曲线。
时间分辨的磁光克尔系统测量得到的阻尼振动曲线，通过LLG方程推导，可由正弦函数叠加指数衰减函数拟合，具体的表达式为：
Figure BDA00029592455700000316
图2中的黑色实线为拟合曲线。通过拟合图2中的阻尼进动曲线，可以获得阻尼进动过程中频率f和驰豫时间τ等关键参数。有效阻尼因子αeff可由f和τ计算得出：αeff＝1/(2πfτ)。αeff随外磁场的增加迅速减小，并且在高磁场下几乎保持不变。在渐进极限近似下，αeff中所包含的非本征阻尼因子逐渐减小甚至消失，高磁场下几乎不变的αeff即可认为是磁性薄膜的本征阻尼因子α0。因此，我们设置外加磁场为磁场大小为1.04T，此时αeff不再随外磁场的增加而明显变化，即认为1.04T下的有效阻尼因子即为本征阻尼因子α0。
图3中为不同电流密度下，其NiFe薄膜本征阻尼因子的变化图。当j<3×105A/cm2时，NiFe的本征阻尼因子α0随j的增大而减小，NiFe的本征阻尼因子下降了20％。而当电流密度从3×105A/cm2增加到6×105A/cm2时，其本征阻尼因子从0.010增加到0.024，相对增加了120％，显示了外加电流对NiFe薄膜本征阻尼因子良好的调控作用。

Claims (3)

1.一种调控NiFe薄膜磁性本征阻尼因子的方法，其特征是，使用电子束蒸发生长方法在Si基片上沉积出20±10nm厚的带状长条NiFe薄膜；带状长条的长度为宽度的20-200倍。对于生长后的样品，在NiFe薄膜带状长条两端引出电极A和B，通过电极A和B向NiFe带状长条中注入电流，所述的外加注入电流密度为1×105-6×105A/cm2。
2.调控NiFe薄膜磁性本征阻尼因子的方法，其特征是，
NiFe带状薄膜中的电流密度从小增加到1×105A/cm2、3×105A/cm2、5×105A/cm2、6×105A/cm2；电流密度从小逐渐增加，本征阻尼因子从0.11增加到0.22以上，NiFe带状薄膜中的电流密度从大1×105A/cm2、3×105A/cm2、5×105A/cm2、6×105A/cm2再逐渐减少到0，本征阻尼因子有所减少。
3.根据权利要求1所述的调控NiFe薄膜磁性本征阻尼因子的方法，其特征是，所述的NiFe带状长条中，NiFe带状长条的宽度为500μm，厚度为20nm。
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