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高精度鐵磁共振儀（FMR）

NanOsc Instruments AB公司的高精度鐵磁共振測試儀為磁動力學(xué)研究的新興領(lǐng)域提供了一個簡單的交鑰匙解決方案。這款高精度鐵磁共振測試儀可以進行2~40 GHZ頻率范圍的測量。在較寬的頻率范圍內(nèi)測量，可以顯著提高精確計算各種材料參數(shù)的能力，而靜態(tài)測量技術(shù)無法獲得這些參數(shù)。

寬頻帶鐵磁共振（FMR）特別適合研究磁性薄膜，它不僅是基礎(chǔ)自旋電子學(xué)和磁學(xué)研究的基礎(chǔ)，而且也是當前和未來磁存儲、磁性傳感器、邏輯和微波信號處理技術(shù)的組成部分。鐵磁共振測試在高頻磁學(xué)和自旋電子學(xué)有著重要的應(yīng)用，例如硬盤的讀取頭，MRAM和自旋轉(zhuǎn)矩振蕩器等。

主要特征:

• 用戶操作界面友好，使用簡便易用

• 使用共面波導(dǎo)的寬頻帶鐵磁共振

• 測試有效磁矩 (Meff)， 各向異性參數(shù)(K)， 旋磁比 (γ)， 阻尼系數(shù)(α)， 非均勻展寬(ΔH?)

• 高精度鐵磁共振可以測出1.4nm鈷鐵硼薄膜信號

• 可以選擇擴展逆自旋霍爾測試

• 同時擁有掃場模式和掃頻模式

軟件用戶使用非常友好，操作界面分為三個部分：

• 設(shè)置掃描參數(shù)

• 運行測試及實時觀察

• 后期處理和參數(shù)提取

設(shè)備型號

特征參數(shù)

CryoFMR樣品桿用于 PPMS^®/ DynaCool^™/ VersaLab^™

測試數(shù)據(jù)展示

■ 逆自旋霍爾效應(yīng)(Inverse Spin Hall Effect)

■ NiFeCu合金在不同磁場下，不同溫度下的鐵磁共振特性

該數(shù)據(jù)的采集使用了Montana公司的恒溫器

部分應(yīng)用案例

■ 退火后的薄膜特性

Pd(8)/Cu(15)/Co(8)/Cu(8)/Ni₈₀Fe₂₀(4.5)/Cu(3)/Pd(3)（厚度以nm計）偽自旋閥多層膜疊層的共振磁場和線寬的頻率依賴性如圖1所示。薄膜疊層含有Co和Ni₈₀Fe₂₀兩個鐵磁層，只顯示了Ni₈₀Fe₂₀層的共振磁場和線寬。本次研究進行了三次測量。**次是對原始薄膜疊層，它表現(xiàn)出**的飽和磁化強度和*低的阻尼。然而，在隨后的兩個后退火過程（200°C持續(xù)12小時）之后，F(xiàn)MR測量顯示飽和磁化強度輕微降低，阻尼顯著增加。這些變化歸因于熱處理后Ni₈₀Fe₂₀薄膜內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變化以及附近Cu層向Ni₈₀Fe₂₀的相互擴散。^[1]

圖1 偽自旋閥多層膜疊層的共振場和線寬的頻率依賴性。原始薄膜（黑色符號和線條）顯示出與隨后退火的薄膜（紅色和藍色符號和線條）的明顯變化。

參考文獻

[1] A. Houshang， et al.， “Effect of excitation fatigue on the synchronization of multiple nanocontact spin-torque oscillators”， IEEE Magnetics Letters 5， 3000404 (2014)

■ 提取合金膜的飽和磁化強度Ms，阻尼系數(shù)α，以及交換勁度A

除了前面描述的所有自旋通過薄膜厚度同相進動的均勻FMR進動外，在薄膜樣品中還可以激發(fā)額外的高階自旋波模式。例如，圖2（a）所示的垂直駐波自旋波（PSSW）模式可以被激發(fā)，并且可以很容易地使用高精度鐵磁共振測試儀FMR在相對較厚的薄膜（>50nm）中測量。如圖2（b）所示，可觀察到兩個共振，對應(yīng)于FMR和PSSW模式。注意，對于固定頻率，PSSW模式將出現(xiàn)在比FMR模式低的場中。如Yin等人所述，通過擬合PSSW模式的共振場，還可以測量交換勁度常數(shù)A。圖2中所示的模型系統(tǒng)是100納米厚的坡莫合金（Py）薄膜，由貴金屬合金（更具體地說是Py_100-xM_x）合金制成，其中M=Pt、Au或Ag。圖2（c）中所示的阻尼α、飽和磁化強度Ms和交換勁度A是貴金屬濃度的函數(shù)。一般來說，在Py中加入Pt、Au和Ag會增加阻尼，降低飽和磁化強度和交換剛度。*有趣的是，發(fā)現(xiàn)Ag的加入顯著降低了MS和A，對α的影響很小。^[2]

圖2 （a） 磁性薄膜中FMR和PSSW模式的示意圖。（b，插圖）f=9GHz下的掃場譜，它清楚地顯示了FMR和PSSW共振。（b，主圖）提取了100nm厚Py₈₅Pt₁₅薄膜的FMR（藍色）和PSSW（紅色）模式的共振場的頻率依賴性。（c） 阻尼α、飽和磁化強度Ms和交換勁度A的成分依賴性

參考文獻

[2] Y. Yin， et al.， “Tunable permalloy-based films for magnonics devices”， Physical Review B 92， 024427 (2015).

■ 溫度依懶性研究

在不同溫度下測量FMR譜的能力對于物理和材料科學(xué)界也至關(guān)重要，因為飽和磁化強度、阻尼和非均勻展寬的溫度依賴性提供了對基本動力學(xué)的進一步了解。用于Quantum Design公司的綜合物性測量系統(tǒng)（PPMS）或DynaCool的CryoFMR樣品桿允許在4→400 K的溫度范圍內(nèi)進行簡單和自動化的測量。（注：VersaLab測量平臺允許在55→400 K的范圍內(nèi)進行測量。）

圖3(a)顯示了一系列測量譜，顯示了100 nm厚的Py85Au15薄膜在寬溫度范圍內(nèi)的FMR和PSSW模式。圖3(a)的插圖顯示了FMR模式的提取線寬，用于將LabVIEW程序與PPMS、DynaCool、Versalab和MPMS3系統(tǒng)接口，計算兩種不同溫度下的磁阻尼。圖3(b)顯示了各種不同合金的自旋波勁度常數(shù)D（與交換勁度A相關(guān)的參數(shù)）的提取溫度依賴性。圖3(c)顯示了三個鐵磁薄膜樣品的飽和磁化強度、阻尼和非均勻展寬的溫度依賴性，在成分和沉積條件上只有微小的差異。有趣的是，對于三個樣品中的細微差異，我們觀察到了溫度依賴性在數(shù)量和趨勢上的顯著差異。^[3]

圖3（a，主圖）23-350 K溫度下的共振譜。（a，插圖）兩種不同溫度下FMR模式線寬的頻率依賴性。（b） 各種坡莫基合金自旋波勁度的溫度依賴性。（c） Western Digital的Susumu Okamura博士提供了三個鐵磁薄膜樣品的MS、α和ΔHo的溫度依賴性。

參考文獻

[3] Y. Yin， et al.， “Ferromagnetic and spin-wave resonance on heavy metal doped permalloy films: temperature effects”， IEEE Magnetics Letters 8， 3502604 (2017).

■ 逆自旋霍爾效應(yīng)(ISHE)

如果我們考慮一個鐵磁/非磁雙層膜（如Ni80Fe₂₀/Pd）進行FMR，來自Ni₈₀Fe₂₀鐵磁層的自旋擴散流將進入非磁性Pd層，這歸因于已知的自旋泵浦現(xiàn)象^[4]。然后通過逆自旋霍爾效應(yīng)（ISHE）^[5]，自旋的擴散流將被轉(zhuǎn)換為可測量的橫向直流電壓，這在具有大自旋軌道相互作用的非磁性層（如Pt、W、Pd等）中是顯著的。圖4(A)所示的特殊CPW，用于測量ISHE產(chǎn)生電壓（VISHE）的電觸點，并連接到NanOsc FMR光譜儀上的單獨輸入端。ISHE電壓是用測量FMR響應(yīng)的鎖定放大器測量的。然而，對于ISHE測量，提供了兩種不同的調(diào)制方案。可以（i）使用提供的亥姆霍茲線圈調(diào)制外部磁場，如測量FMR響應(yīng)時所做的，或者（ii）使用內(nèi)部繼電器切斷/脈沖VISHE。兩種調(diào)制方案如圖4(b)所示，用于Ni₈₀Fe₂₀/Pd雙層。注意，場調(diào)制響應(yīng)具有類似于導(dǎo)數(shù)的曲線形狀，而脈沖調(diào)制信號與場調(diào)制信號相比表現(xiàn)出單峰值和提升的信噪比。

圖4 （a） 利用帶有電觸點的特殊共面波導(dǎo)進行ISHE測量的實驗設(shè)計。（b） 采用場調(diào)制（頂部）或脈沖調(diào)制（底部）檢測方案，測量了Ni₈₀Fe₂₀/Pd雙層膜在三種典型頻率下的VISHE響應(yīng)。

參考文獻

[4] Y. Tserkovnyak， A. Brataas， G.E.W Bauer， “Enhanced Gilbert damping in thin ferromagnetic films”， Physical Review Letters 88， 117601 (2002).

[5] J.E. Hirsch， “Spin Hall Effect”， Physical Review Letters 83， 1834 (1999).

■ Nature Communications：納米接觸磁隧道結(jié)中自旋轉(zhuǎn)移力矩驅(qū)動的高階傳播自旋波

早期的磁隧道結(jié)依靠磁場實現(xiàn)磁化翻轉(zhuǎn)，這種方式往往功耗較高，隨著工藝尺寸減小， 寫入電流將急劇增大， 難以在納米級磁隧道結(jié)中推廣應(yīng)用。1996年， Slonczewski和Berger從理論上預(yù)測了一種被稱為自旋轉(zhuǎn)移矩（Spin Transfer Torque， STT）的純電學(xué)的磁隧道結(jié)寫入方式，克服了傳統(tǒng)磁場寫入的缺點，并且寫入電流的大小可隨工藝尺寸的縮小而減小。2000年前后， 自旋轉(zhuǎn)移矩在實驗上被用于實現(xiàn)金屬多層膜的磁化翻轉(zhuǎn)^[6]?；诖诵?yīng)，一種新型的微波振蕩器被提出來，即自旋轉(zhuǎn)移力矩納米振蕩器（STNO），利用自旋極化電流誘導(dǎo)納米磁體磁矩翻轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)了微波振蕩。

STNO的典型結(jié)構(gòu)采用一個三明治結(jié)構(gòu)“固定鐵磁層FM/非磁性層NM/自由鐵磁層FM”來實現(xiàn)，因為內(nèi)部阻尼的作用，為了維持自振蕩，需要10⁶-10⁸ A/cm²級的大電流密度，這可以通過在三層膜上使用納米觸點對電流實現(xiàn)空間壓縮來實現(xiàn)，這也是小型化磁振子器件中***的自旋波注入器。隧穿磁電阻(TMR)比巨磁阻(GMR)高一個或多個數(shù)量級，為了實現(xiàn)高效的電子自旋波讀出，磁振子器件還必須基于磁隧道結(jié)(MTJ)。

圖5 a.普通納米觸點振蕩器結(jié)構(gòu)；b.寬邊帽納米觸點振蕩器結(jié)構(gòu)；

c.磁滯回線；d.磁電阻測試：內(nèi)嵌圖為自由層的鐵磁共振頻率和面內(nèi)磁場關(guān)系。

（圖片來源： Nature Communications (2018) 9:4374）

與頂部金屬層相比，MTJ隧穿勢壘的導(dǎo)電性相對較低，導(dǎo)致普通納米觸點的大橫向電流分流（圖5a）。為了使更多的電流通過MTJ，哥德堡大學(xué)物理系的J. ?kerman課題組^[7]采用了寬邊帽結(jié)構(gòu)納米觸點，當MTJ覆蓋層從納米觸點向外延伸時，帽狀帽層逐漸變薄，并使用一層1.5Ω·m2低阻面積(RA)產(chǎn)品的MgO進一步促進隧穿勢壘(圖5b)。

圖6 不同驅(qū)動電流下功率譜密度和磁場關(guān)系，

a Idc= ?5 mA， b Idc =?6 mA， c Idc= ?7 mA， d Idc = ?8 mA， e Idc = ?9 mA， and f Idc =?10 mA.

（圖片來源： Nature Communications (2018) 9:4374）

所得到的器件表現(xiàn)出與納米觸點STNO相關(guān)的典型自旋波模式，在不同驅(qū)動電流下觀測到兩個二階和三階傳播自旋波模態(tài)（如圖6），這兩種模式的波長估計分別為120和74納米，比150納米觸點小得多。該研究表明這些高階傳播的自旋波將使磁振子器件能夠在極高的頻率下工作，并大大增加它們的傳輸速率和自旋波傳播長度。

參考文獻

[6] 趙巍勝，王昭昊，彭守仲， 王樂知， 常亮， 張有光， STT-MRAM存儲器的研究進展.中國科學(xué): 物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué) 46， 107306 (2016 )

[7] Houshang， A. ， J. ?kerman，et al. Nature Communication (2018) 9:4374

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