论文摘要
自旋电子学,是同时利用电子的电荷与自旋属性,研究、开发与电子信息技术相关的新原理、新功能与新器件的一门学科。磁记录介质作为信息技术的核心载体,正在经历关键的技术变革。由于磁场的非局域性,借助外部磁场驱动磁记录介质的磁矩翻转往往会导致较高的能耗和较低的稳定度。然而,利用纯自旋流（自旋角动量的定向运动）产生的自旋轨道力矩,可以实现低功耗、快速、可靠的磁化翻转。所以,利用自旋轨道力矩实现局域磁矩的电调控,是未来构建新型高密度、高速度、低能耗信息存储与处理器件的核心技术之一,也是目前自旋电子学研究领域的前沿问题。现在针对自旋轨道力矩的研究,多集中在具有结构对称破缺的磁性异质纳米薄膜系统中。一方面,由于块体材料中的自旋轨道耦合基本上由能带结构决定,只有在异质纳米结构中才能实现自旋轨道耦合的有效调控;另一方面,在异质结构的界面处,存在丰富物理效应和多种自由度的耦合,是产生自旋轨道力矩的重要来源;此外,只有磁性层厚度在纳米量级,才能增强自旋轨道力矩的效果,调控局域磁矩的范围才能比较大。因此,研究不同类型的磁性纳米异质结构中自旋轨道力矩的特点,理解其自旋轨道力矩的机制,是推动自旋轨道力矩效应实用化的关键。于是,区分和甄别不同材料体系中的自旋轨道力矩,实现自旋轨道力矩对磁化强度的调控成为了自旋电子学研究当中的重中之重。本论文围绕上述关键问题,开展了基于反常霍尔效应的自旋力矩铁磁共振理论、超薄膜和外延单晶薄膜的磁化强度动力学、结构对称破缺磁性体系中的自旋轨道力矩三个方面的研究。主要的创新性结果如下:一、构建了自旋轨道力矩驱动的磁化强度动力学。我们针对电流诱导的两种典型力矩（Field-like torque和Damping-like torque）,将其加入到磁化强度动力学方程中求解,得到了不同形式自旋轨道力矩的等效磁化率张量,这为基于电流诱导的自旋轨道力矩相关的自旋动力学研究提供了基础。二、提出了基于反常霍尔效应的自旋力矩铁磁共振（ST-FMR）理论和研究方法。我们充分利用超薄膜异质结构由于较强散射所引起的反常霍尔效应（AHE）和由自旋轨道耦合所导致的自旋轨道力矩作用,建立了基于AHE的ST-FMR理论;并基于此发展出研究超薄异质结构自旋动力学与有效自旋轨道耦合的实验方法和研究手段,开发出相关的仪器测试系统。该方法基本上可以满足目前自旋电子学所涉及的前沿材料体系的研究。三、发现了结构对称破缺所引起的异常自旋轨道力矩。在中心反演对称破缺的Mn2Au反铁磁与FeNi组成的异质薄膜结构中,出现了具有面外极化特征的自旋轨道力矩,并通过厚度依赖关系证明该力矩由体效应与界面效应共同贡献。在单晶哈斯勒Co2FeAl薄膜体系中发现了由其自身所诱导的自旋轨道力矩,并获得了该力矩的晶向依赖关系。
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摘要Abstract第一章 绪论 1.1 研究背景 1.1.1 磁电阻效应和自旋电子学的建立 1.1.2 自旋转移力矩和自旋电子学的发展 1.1.3 自旋电子学目前研究的热点问题 1.2 自旋轨道耦合作用和自旋轨道力矩的起源 1.2.1 自旋轨道耦合作用 1.2.2 自旋轨道力矩的起源 1.3 纯自旋流的产生与探测 1.3.1 纯自旋流的产生 1.3.2 纯自旋流的探测 1.4 自旋轨道力矩的研究方法 1.4.1 自旋塞贝克实验 1.4.2 自旋泵浦实验 1.4.3 二次谐波方法 1.4.4 自旋力矩铁磁共振方法 1.5 本论文的选题思路和研究内容第二章 实验基础 2.1 薄膜生长与器件设计 2.1.1 磁控溅射技术 2.1.2 分子束外延技术 2.1.3 光刻技术 2.2 样品性质表征手段 2.2.1 振动样品磁强计（VSM） 2.2.2 X射线衍射技术（XRD） 2.2.3 磁电阻测量系统（MR） 2.2.4 自旋力矩铁磁共振系统（ST-FMR）第三章 ST-FMR的相关理论研究 3.1 磁化强度动力学方程 3.1.1 无阻尼的LLG方程 3.1.2 有阻尼的LLG方程 3.1.3 考虑电流诱导的自旋轨道力矩的LLG方程 3.2 基于各向异性磁电阻的ST-FMR理论 3.2.1 铁磁共振线形角度依赖关系 3.2.2 自旋霍尔角的分析方法 3.3 基于反常霍尔效应的ST-FMR理论 3.3.1 反常霍尔效应整流 3.3.2 线形角度依赖关系 3.4 本章总结第四章 利用ST-FMR研究超薄膜和单晶的磁化动力学 4.1 超薄CoFeB体系中的磁化强度动力学 4.1.1 样品制备和基本性质表征 4.1.2 样品的色散研究 4.1.3 厚度依赖的垂直各向异性 4.1.4 阻尼与非本征线宽研究2FeAl薄膜体系中的磁化强度动力学'> 4.2 单晶Co2FeAl薄膜体系中的磁化强度动力学 4.2.1 样品制备与基本性质表征 4.2.2 确定磁晶各向异性 4.2.3 各向异性阻尼与非本征线宽 4.3 单晶FeSi薄膜的磁化强度动力学 4.3.1 样品制备与基本性质表征 4.3.2 确定磁晶各向异性与阻尼 4.3.3 体系中的自旋驻波信号 4.4 本章总结第五章 自旋霍尔效应诱导的ST-FMR 5.1 面外位形下自旋霍尔效应诱导的ST-FMR理论 5.1.1 垂直位形下的本征共振频率 5.1.2 垂直位形磁化率张量 5.1.3 垂直位形ST-FMR 5.2 无自旋霍尔效应的FeNi/Cu薄膜研究 5.2.1 FeNi/Cu薄膜制备和器件设计 5.2.2 FeNi/Cu双层薄膜的磁化强度动力学 5.3 多晶FeNi/Pt中的自旋霍尔效应研究 5.3.1 FeNi/Pt薄膜制备与器件设计 5.3.2 FeNi/Pt薄膜的面内ST-FMR特征 5.3.3 FeNi/Pt薄膜的面外ST-FMR特征 5.4 多晶IrMn/FeNi中的自旋霍尔效应研究 5.4.1 IrMn/FeNi薄膜制备与器件设计 5.4.2 IrMn/FeNi薄膜中的大自旋霍尔角 5.5 本章总结第六章 复杂自旋轨道力矩参与的ST-FMR研究2Au/Py中的自旋轨道力矩'> 6.1 反铁磁/铁磁双层膜Mn2Au/Py中的自旋轨道力矩 6.1.1 器件制备与磁电阻测量2Au/Py的非本征线宽和阻尼'> 6.1.2 Mn2Au/Py的非本征线宽和阻尼2Au/Py中的自旋轨道力矩研究'> 6.1.3 Mn2Au/Py中的自旋轨道力矩研究 6.2 单晶FeSi中的晶向依赖的自旋泵浦效应 6.2.1 单晶FeSi中的铁磁共振信号分析 6.2.2 单晶FeSi中的垂直自旋自旋驻波2FeAl薄膜中的自旋轨道力矩'> 6.3 单晶Co2FeAl薄膜中的自旋轨道力矩2FeAl薄膜制备与器件设计'> 6.3.1 单晶Co2FeAl薄膜制备与器件设计2FeAl薄膜中自旋轨道力矩研究'> 6.3.2 单晶Co2FeAl薄膜中自旋轨道力矩研究 6.4 本章总结第七章 总结与展望 7.1 总结 7.2 展望参考文献附录：英文简写对照表在学期间的研究成果致谢
文章来源
类型: 博士论文
作者: 孔文文
导师: 范小龙,郭党委
关键词: 自旋力矩铁磁共振,反常霍尔效应,自旋轨道耦合,自旋轨道力矩
来源: 兰州大学
年度: 2019
分类: 基础科学
专业: 物理学
单位: 兰州大学
基金: 国家自然科学基金NSFC Nos.61102001,NSFC Nos.51202102,NSFC Nos.51471081
分类号: O469
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