低稀土掺杂对坡莫合金薄膜的影响

摘要

坡莫合金是一种非常好的软磁材料，具有高的磁导率、低的磁各向异性、低的矫顽力等特点，始终被广大的研究者所关注，是自旋电子学器件中首选的材料。但是由于坡莫合金属于3d过渡合金，其轨道基本淬灭，自旋-轨道耦合小，因此阻尼因子很小，限制了其的部分应用。稀土的4f局域电子具有大的自旋-轨道耦合，可以通过掺杂稀土杂质来增强坡莫合金的阻尼因子，但同时也会增加坡莫合金的磁各向异性，破坏其优良的软磁特性。本论文采用微掺杂稀土的方法，在保持坡莫合金优良软磁特性的同时，对其阻尼因子的大小进行调控。
　　磁性多层膜具有复杂多样的磁学特性，如磁各向异性、交换作用、层间耦合、巨磁电阻效应、界面效应等，及其非常广阔而诱人的应用前景，如在磁记录头、磁性随机存储器等自旋电子学器件当中的应用，引起了科学家的广泛关注。而稀土也具有非常丰富的磁学特性。本论文也对稀土/坡莫合金双层膜进行了变温的磁性测量，及铁磁共振研究，得到了一些有趣的结果。主要研究工作如下:
　　一、低稀土掺杂坡莫合金薄膜的结构和磁性研究
　　通过XRD对RE-Ni80Fe20薄膜(RE=Tb、Gd、Nd)进行结构分析，发现NiFe薄膜的结构具有(111)织构，随着稀土含量的增加，薄膜的结构从多晶逐渐转变为非晶。其中Nd掺杂转变的最快，大约在3.4％时薄膜变为非晶，Tb约为6.9％，Gd约为7.5％。
　　通过室温磁性测量，发现薄膜的饱和磁化强度随着稀土含量的增加呈线性减小，矫顽力及磁各向异性随稀土的掺杂量有所增加，但在低掺杂量内可以保持较好的软磁特性。薄膜Ms下降的原因是稀土掺杂导致了NiFe自旋磁矩的分散。稀土Gd、Tb与NiFe的磁矩反平行且磁矩分散;而轻稀土Nd的磁矩在室温下被发现也和NiFe磁矩呈反平行排列，后者和洪德理论是不相符的。原因可能是薄膜表面存在富Nd相导致磁矩的反铁磁耦合。
　　Ms-T曲线和5K时的饱和磁化强度发现在低温下，Nd磁矩和NiFe磁矩呈平行排列，随着温度的升高，磁矩从平行逐渐转变成反平行排列。这可能是由于体相富FeNi相在低温时磁矩增长比较快的原因。通过变温磁性测量发现，薄膜的矫顽力随着温度降低而有所增大，当稀土掺杂量大于一定含量时（Tb≥8.4％，Nd≥5.1％），薄膜的矫顽力突然增大。薄膜的饱和磁化强度Ms-T对于不同的掺杂表现是相反的:对于重稀土Tb掺杂的薄膜的Ms随温度降低而减小，而对于轻稀土Nd掺杂，其Ms随着温度降低而增大。
　　二、低稀土掺杂坡莫合金薄膜的铁磁共振研究
　　通过铁磁共振的方法对RE-Ni80Fe20薄膜进行了磁化动力学研究。通过理论拟合，分析薄膜共振场随磁场角度的变化关系，研究了不同稀土元素和含量对薄膜的有效磁化强度，表而各向异性常数，Landé因子g等参数的影响。
　　对铁磁共振线宽的复杂机制进行了研究，从中分离出Gilbert阻尼因子、双磁子散射、非均匀加宽对薄膜线宽的贡献，得到了Gilbert阻尼因子随稀土掺杂的变化关系，发现对于10％左右的掺杂量，Tb掺杂能将阻尼因子α提高近50倍，Nd掺杂提高25左右，而Gd掺杂只有1.5倍左右，这和XMCD结果中NiFe的L/S相对比值增强结果一致，说明轨道未增加，自旋减小也可能增加L-S耦合。据此我们可以按照实际需要通过不同的稀土元素及其掺杂量对薄膜阻尼因子的大小进行调控。通过XMCD结果计算了薄膜中Ni和Fe的轨道磁矩和自旋磁矩，发现Nd的掺杂能增强NiFe的L-S耦合。
　　三、Nd/坡莫合金双层膜的磁性研究
　　通过对Nd/Ni80Fe20双层膜进行变温磁性研究发现，在室温下，Nd层呈顺磁性，其饱和磁化强度为0;Py层是铁磁性的，其饱和磁化强度的大小不随Nd层厚度而改变，但受缓冲层的影响较大，缓冲层为Ta时，其MPy为714emu/cm3，缓冲层为Nd时，其MPy约为592emu/cm3。在低温下Nd/Ni80Fe20双层膜具有交换偏置效应，其交换偏置场的大小不随Nd层的厚度变化而改变，约为13Oe。通过自旋波模型和斯托纳个别激发模型对双层膜的Ms-T曲线进行拟合，可以分离出Nd层和Py层各自的Ms的温度依赖关系以及得到Nd的Neel温度。
　　通过铁磁共振研究发现，Nd层对薄膜的共振场几乎没有影响，但薄膜的线宽却随着Nd层厚度的增大而明显增加，这说明了Nd层的加入增大了薄膜的阻尼因子，这一现象可以用自旋泵浦效应较好的解释。通过理论拟合可以得到薄膜的阻尼因子以及自旋泵浦的阻尼因子。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1-1 引言

1-2 交换作用以及内秉磁性

1-2-1 交换作用分类

1-2-2 稀土-过渡金属合金的磁矩

1-2-3 稀土-过渡金属合金磁性的温度依赖特性

1-3 磁各向异性

1-3-1 磁各向异性分类及来源

1-3-2 交换偏置效应

1-4 磁化动力学和铁磁共振

1-4-1 磁化动力学过程

1-4-2 铁磁共振

1-4-3 自旋泵浦(Spin-pumping)效应

1-5 稀土-过渡金属合金以及薄膜的研究进展

1-6 本论文的主要研究内容

参考文献

第二章 薄膜的制备与表征方法

2-1 薄膜样品的制备方法

2-1-1 高真空磁控溅射仪

2-1-2 薄膜样品的制备

2-2 薄膜的厚度、结构和成分表征方法

2-2-1 薄膜的厚度的测定

2-2-2 扫描电子显微镜及能谱分析

2-2-3 X射线衍射仪

2-3 薄膜磁学性质的测定

2-3-1 振动样品磁强计

2-3-2 物理性质测量系统(PPMS)

2-3-3 铁磁共振性质测定

2-3-4 X射线磁性圆二色(XMCD)

参考文献

第三章 低稀土掺杂坡莫合金薄膜的结构和磁性研究

3-1 重稀土Tb、Gd掺杂坡莫合金薄膜的结构和磁性

3-1-1 重稀土Tb、Gd掺杂坡莫合金薄膜的制备和结构

3-1-2 重稀土Tb、Gd掺杂坡莫合金薄膜的室温磁性和饱和磁化强度

3-1-3 重稀土Tb掺杂坡莫合金薄膜磁性的温度依赖性

3-2 轻稀土Nd掺杂坡莫合金薄膜的结构和磁性

3-2-1 轻稀土Nd掺杂坡莫合金薄膜的制备和结构

3-2-2 轻稀土Nd掺杂坡莫合金薄膜的室温磁性和饱和磁化强度

3-2-3 轻稀土Nd掺杂坡莫合金薄膜的XMCD研究

3-2-4 轻稀土Nd掺杂坡莫合金薄膜磁性的温度依赖性

3-2-5 Ndx-(Ni80Fe20)1-x薄膜的厚度对磁性的影响

3-3 本章小结

参考文献

第四章 低稀土掺杂坡莫合金薄膜的铁磁共振研究

4-1 重稀土Tb、Gd掺杂坡莫合金薄膜铁磁共振研究

4-1-1 共振场的角度依赖性和磁各向异性

4-1-2 铁磁共振线宽角度依赖性和磁化动力阻尼因子

4-2 轻稀土Nd掺杂坡莫合金薄膜铁磁共振研究

4-2-1 共振场的角度依赖性和磁各向异性

4-2-2 铁磁共振线宽角度依赖性和磁化动力阻尼因子

4-2-3 Ndx-(Ni80Fe20)1-x薄膜的厚度对铁磁共振的影响

4-2-4 变频铁磁共振线宽和磁化动力阻尼因子

4-2-5 铁磁共振线宽和双磁子散射效应

4-3 本章小结

参考文献

第五章 Nd／Ni80Fe20双层膜的磁性研究

5-1 Nd／Ni80Fe20双层膜的制备

5-2 Nd／Ni80Fe20双层膜的交换偏置效应

5-3 Nd／Ni80Fe20双层膜的饱和磁化强度

5-4 Nd／Ni80Fe20双层膜的铁磁共振研究和spin-pumping效应

5-5 本章小结

参考文献

工作总结与研究展望

博士期间已发表和待发表的学术论文

致谢