【摘 要】
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随着自旋电子学领域的发展,人们发现具有垂直磁各向异性(perpendicular magnetic anisotropy,PMA)的绝缘磁性石榴石薄膜有着非常多的优良特性,大大地满足了人们对电子器件更小、更快、更高效的要求。据报道,重金属(如Pt等)或拓扑绝缘体与磁层构成的异质结中自旋轨道转矩(SOT)要比传统的磁隧道结中的自旋转移扭矩(STT)更能有效控制磁矩,而厚度小于100 nm超薄的磁性绝
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随着自旋电子学领域的发展,人们发现具有垂直磁各向异性(perpendicular magnetic anisotropy,PMA)的绝缘磁性石榴石薄膜有着非常多的优良特性,大大地满足了人们对电子器件更小、更快、更高效的要求。据报道,重金属(如Pt等)或拓扑绝缘体与磁层构成的异质结中自旋轨道转矩(SOT)要比传统的磁隧道结中的自旋转移扭矩(STT)更能有效控制磁矩,而厚度小于100 nm超薄的磁性绝缘性薄膜具有更强的界面效应,可以更有效地降低器件损耗、有利于缩小器件的体积、增大器件的存储密度。目前,从自旋泵浦效应等基础研究和自旋扭矩振荡器等实际器件的应用来看,制备出高质量、超薄、低阻尼参数、高稳定性的磁性绝缘薄膜具有重要意义。本文以制备出具有面外各向异性,低阻尼系数的超薄石榴石薄膜为目标,首先利用高温固相法制备出结构致密的高质量靶材,然后采用脉冲激光沉积工艺分别在 GGG(111)和 SGGG(111)基片上外延生长了 Tm3Fe5O12、Bi1Tm2Fe5O12、Y3Fe5O12、Bi0.7Y2.3Fe5O12薄膜,并对薄膜进行结构性能与磁性能的测试及分析。首先,本文采用脉冲激光沉积工艺在GGG、SGGG基片上分别外延生长了 60 nm厚的Tm3Fe5O12薄膜,研究发现Tm3Fe5O12/GGG薄膜受到压应力,易磁化轴表现为面内,Tm3Fe5012/SGGG薄膜受到张应力,易磁化轴表现为面外。实验通过改变薄膜与衬底间的应力情况,利用应力诱导的各向异性克服薄膜形状各向异性,进而实现诱导薄膜的垂直磁个性异性,最终制备出具有PMA的、阻尼系数为α=1.18×10-2 的 Tm3Fe5O12/SGGG 薄膜。其次,本文分别在GGG、SGGG基片上外延生长了 60 nm厚的Bi1Tm2Fe5O12薄膜,研究发现Bi1Tm2Fe5O12/GGG薄膜的易磁化轴仍为面内,掺铋引起的单轴各向异性不足以克服形状各向异性诱导薄膜产生PMA;而Bi1Tm2Fe5O12/SGGG薄膜的易磁化轴为面内,且阻尼系数为α=1.158×10-2小于Tm3Fe5012/SGGG薄膜,说明Bi3+离子的引入使得薄膜与衬底间的晶格失配有所降低,降低了薄膜的阻尼系数。然后,本文分别在GGG、SGGG基片上外延生长了 60 nm厚的Y3Fe5O12薄膜,研究发现,YIG/GGG和YIG/SGGG薄膜的易磁化轴均为面内,相比于TmIG薄膜,YIG/GGG薄膜具有更低的阻尼系数,面内阻尼系数为2.49×10-3。最后,本文分别在GGG、SGGG基片上外延生长了 60 nm厚的Bi0.7Y2.3Fe5O12薄膜,研究发现Bi:YIG/GGG和Bi:YIG/SGGG的易磁化轴均为面内且Bi:YIG/SGGG薄膜的阻尼系数较YIG薄膜有所降低。
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