（凝聚态物理专业论文）多晶及单晶（超）薄膜铁磁共振线宽研究.pdf

摘要 摘要 无论是在研究磁性存储材料磁特性还是在新兴自旋电子学材料的研究中，人们已经认识到 磁矩所受阻尼对自旋动力学过程的重要性，基于器件微型化等应用方面的考虑，薄膜、超薄 膜、纳米结构和超微粒材料中的磁性弛豫过程近来成为人们关心的课题。铁磁共振是研究磁 介质磁特性的基本方法之一，其共振吸收谱的半峰宽卸线宽直接提供了介质中磁矩所受阻尼 的信息。本论文以铁磁共振为主要手段，系统地研究了铁磁性薄膜和超薄膜的铁磁共振线宽 的规律和机制。我们的工作主要是： 1 完整地给出唯象理论处理铁磁共振线宽的般方法，并简单比较了描述磁矩动力学过 程的l a u d a u - l i f s h i t z - g i l b e r t 方程和b l o e m b e r g e n b l o c h 方程。另外，较为全面地总结了到目前 为止用来解释共振线宽的各种磁性弛豫的机制。 2 对厚度2 5 n m 一5 0 l l m 的多晶单层膜t a n i f e t a 系列样品的铁磁共振谱线宽进行了 拟合，推导了在具体自由能形式下各种弛豫机制的解析表达具体形式分析了多晶n i f e 薄膜 样品弛豫机制。分析显示，在我们的样品中以l s 耦合下自旋晶格相互作用的弛豫过程为主， 但对于某些样品双磁子散射对弛豫的贡献是明显的，最近提出来的自旋泵涌机制也有贡献， 而表观加宽则较多依赖于每个样品的制备条件。基于自旋泵浦理论，在实验上第一次得到t a n i f e 界面的自旋输运特征参数g ”。 3 研究了外延生长在g a a s 衬底上的厚度分别为5 2 、8 4 、1 2 7 、2 5 、3 3m l 的f c 单晶 超薄膜，类似多晶的情形，分析了单晶f e 超薄膜样品的弛豫机制，我们独立地给出了一个描 述g i l b e r t 衰减因子各向异性的经验公式，并用这个公式对实验数据进行拟合，效果满意，但 还有待理论上的澄清。此外，数值计算显示，磁矩总是在与外场方向夹角最大的地方受到的 阻尼最大，且共振时体系能量随外场方向发生振荡。 4 为了更好理解自旋在界面的输运过程，我们独立地推导了新近提出来的磁电电路理论 的基本公式，给出的自旋输运特征参数g “有较为明显的物理意义，我们还设计了一个理想 实验体系，应用磁电电路理论对其中的自旋输运过程进行了求解。 关键词：铁磁共振、线宽、磁性弛豫、磁电电路理论 查堕查兰堡圭堂堡垒塞 a b s t r a c t i ns w i t c h i n gc h a r a c t e r i s t i co fm a g n e t i cs t o r a g em a t e r a l sa n d0 t h e rd e v i c e so f s p i n t r o n i c s 。t h ed a m p i n go f m a g n e t i cm o m e n tp l a y sak e yr o l ei ns p i nd y n a m i c s a sf 盯 a sa p p l i c a t i o n sa r er e g a r d e d ，t h em a g n e t i cr e l a x a t i o n si n t h i nf i l m s ，u l t r a t h i nf i l m s ， n a n o s h - u c t u r ea n du l t r a f i n e - p a r t i c u l a t em a t e d a l sc o m et ob eah o tt o p i cr e c e n t l y f e r r o m a g n e t i cr e s o n a n c e ( f m r ) i so n eo ft h ef u n d a m e n t a lm e t h o d sf o re x p l o r i n g p r o p e r t i e si nm a g n e t i cm a t e r i a l ，t h eh a t , p o w e rf i e l dw i d t ho fs p e c t r u mo ff m r ，v i z 1 i n e w i d t h r e l a t e sd i r e c t l yt ot h ed a m p i n go fm a g n e t i cm a t e r i a l i nt h i sp a p e r , w i t ht h e a i do ff m r m a g n e t i cr e l a x a t i o n si nm a g n e t i ct h i na n du l t r a t h i nf i l m sh a v eb e e n s y s t e m a t i c a l l ys t u d i e d t h ef o l l o w i n ga r et h em a i nr e s u l t so f o u r w o r k ： 1 t h eg e n e r a lw a yf o rs t u d y i n gl i n e w i d t ho ff m rb yp h e n o m e n o l o g i c a lt h e o r yi s g i v e n ， w i t h ac o m p a r i s o nb e t w e e n l a u d a u l i f s h i t z g i l b e r t e q u a t i o n a n d b l o e m b e r g e n - b l o c he q u a t i o ni nd e s c r i b i n gd y n a m i c so fm a g n e t i cm o m e n t i na d d i t i o n ， w er e v i e w e da l lo fm a g n e t i cr e l a x a t i o nm e c h a n i s m se m p l o y r e dt oa c c o u n tf o rf m r 1 i n e w i d t ha n dd a m p i n gi nm a g n e t i cm a t e r i a l s ， 2 1 1 1 ed a t ao ff m rl i n e w i d t ho fas e r i e so fp o l y c r y s t a l l i n es a m p l e st a n i f e t a w i t hn i f et h i c k n e s st h a n g i n gf r o m2 5n l t la n d5 0n l nh a v eb e e nf i t t e dw i t ho u r d e d u c e da n a l y t i ce x p r e s s i o n so fv a r i o u sr e l a x a t i o nm e c h a n i s m s a c c o r d i n gt oo u r a n a l y s i s ，t h er e l a x a t i o nd u et ol sc o u p l i n gc o n t r i b u t e sm a i n l yt ot h ed a m p i n gi nt h e s e p o l y c r y s t a l l i n ef i l m s ，a n dr e c e n t l yp r o p o s e ds p i np u m p i n gm e c h a n i s ma l s oh a sp a r t c o n t r i b u t i o n s b u tf o rs o m es a m p l e s ，t h et w o m a g n o ns c a t t e r i n gm e c h a n i s ms h o u l dn o t b ei g n o r e d f o ra l ls a m p l e s ，t h ea p p a r e n tb r o a d e n i n go fl i n e w i d t ha r em o r ed e p e n d e n t o nt h es p e c i f i cc o n d i t i o n so fp r e p a r a t i o n f o rt h ef i r s tt i m ew eo b t a i n e do n eo f p a r a m e t e r sc h a r a c t e r i z i n gs p i nt r a n s p o r ti ns p i np u m p i n gt h e o r y ，g ”，f r o me x p e r i m e n t a tt h ei n t e r f a c eo f t a n i f e 3 t h ee x p e r i m e n t a ld a t ao f f m rl i n e w i d t l lo f as e r i e so f s i n g l ec r y s t a lf eu l t r a t h i n f i l m se p i t a x i a l l yg r o w no ng a a sw i t ht h i c k n e s so f 5 2 、8 4 、1 2 7 、2 5 、3 3m lh a v eb e e n f i t t e ds i m i l a r l y t op o l y e r y s t a l l i n es a m p l e s d u r i n gf i t t i n g a ne x p e r i e n t i a la n a l y t i c e x p r e s s i o nf o rg i l b e r td a m p i n gf a c t o rh a sb e e nf o u n di n d e p e n d e n t l yt oa c c o u n tf o ri t s e n i s o t r o p y b e s i d e s i ti sa l s os h o w nj nn u m e r i c a lt a l c u l a t i o nt h a tt h el a r g e s t1 i n e w i d t h o c c l 】r sw h e nt h em a g n e t i cm o m e n th a st h el a r g e s td e v i a t i o nf r o me x t e r n a lf i e l d 4 w eh a v ei n d e p e n d e n t l yd e d u c e dab a s i cf o r m u l a t i o nf o rr e c e n t l yp r o p o s e d m a g n e t o e l e c t r o n i cc i r c u i tt h e o r y t os h o w m o r ec l e a r l yt h ep h y s i c a lm e a n i n go f p a r a m e t e rg af i c t i t i o u se x p e r i m e n tw a sd e s i g n e da n di t sr e l a t e dp r o b l e mo fs p i n t r a n s p o r th a sb e e ns o l v e db a s e do nt h em a g n e t o c l e c t r o n i cc i r c u i tt h e o r y k e yw o r d s ：f e r r o m a g n e t i cr e s o n a n c e ( f m r ) ，l i n e w i d t h ，m a g n e t i cr e l a x a t i o n ， m a g n e t o e l e c t r o n i cc i r c u i tt h e o r y l i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：搓溶 日期：二丛) 三s 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电 子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文 被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名： 查垒遢 导师签名： 只瓤：罂。弓弓；s 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 近二十年，一个新的应用领域正在迅猛发展，即各种磁记录材料，它们使磁体尺寸越来 越小 1 】。新的小尺度材料生长及测量技术的发展使制各和研究具有各种新颖磁现象的人工纳 米结构成为可能。超薄膜、多层膜、纳米结构和超微粒材料的研究和应用已成为研究热点。 特别是在多层膜中发现巨磁电阻以来，以自旋相关导电为核心的新原理、新材料及器件迅猛 发展，开始形成一个新的学科磁电子学2 1 。 目前正是大规模信息和多媒体时代，飞速发展的各种电子信息的传输及处理与存储越来 越要求存储密度更高、速度更快、功耗更低、尺寸更小及重量更轻。磁电子学就在这样的研 究热潮中迅速发展着，同时不断的开拓其应用领域，成为了基础研究快速转化为生产的典范。 巨磁电阻传感器和硬磁盘读出头已于9 0 年代进入市场，从1 9 8 8 年在f e c r 多层膜中发现巨 磁电阻( g m r ) ，到1 9 9 5 年l 酬推出计算机硬盘g m r 磁头，只用了不到8 年的时闻。特别是巨 磁电阻随机存储器躲枷，美国资助金额达3 0 0 0 万美圆的重大国防项目s p i n t r o n i c s 已在验收 后宣布，以巨磁电阻器件为单元的m r a m 的存储密度，存取速度，价格均可与现在计算机主内 存d r a m 和s r 从比较，且有断电不丢失信息和抗辐射等优点。数年后将可能占领市场 3 。 磁性传感器件与存储器等磁性器件都基于磁性薄膜，其中重要的基础研究问题有：当薄 膜厚度减小，直至几个原子厚的超薄膜时，其结构和磁性的研究；巨磁电阻效应及多层膜的 层间耦合：磁性合金与半导体的外延生长和磁性半导体的发展；薄膜及图形薄膜的各向异性 及静态和动态磁化性能；薄膜和器件的小型化及阵列中器件单元间的相互作用等。 实验发现，当薄膜厚度减小直至超薄膜时其结构，微结构和磁性将发生变化。如饱和 磁化强度，磁各向异性和回旋磁比等特性均可与大块材料不同f 4 1 。这种情况又依赖于衬底。 为了使磁性器件能与半导体集成化，在半导体衬底上外延生长磁性薄膜十分重要。研究薄膜 性能的厚度依赖性和超薄膜在半导体上的外延生长过程中超薄膜的生长和其结构与磁性的 演化。既是发展小型化磁存储器和新兴磁电子学器件和磁电子器件集成化的重要问题，又与 铁磁性形成和出现的规律相关。因而具有重要的科学意义和应用意义。 磁性薄膜和器件的小型化和小型化阵列中，微米至纳米尺寸的磁性单元性能，如饱和磁 化强度，磁各向异性和磁滞回线等对单元尺寸，形状和单元间距离的依赖性，是当前发展巨 磁电阻随机存储器和新一代高密度磁存储器的十分重要的问题【5 1 。 此外，小型化磁性器件的开关时问也是一个重要问题。其直接测量需要超快速( 皮秒) 的磁场和测量设备。开关时问依赖于磁化动态过程，l a n d a u - l i f s h i t s - g i l b e r t 方程的阻尼 因子 6 ，但阻尼因子依赖于频率探索什么材料可用铁磁共振线宽推算阻尼因子以及如何间 接估计开关时间是一个有意义的研究。此外，应用于高频、超高频及微波下的磁性材料要求 损耗及阻尼因子低，而吸波材料等又要求阻尼因子高，所以阻尼因子机制的研究十分重要。 本论文的主要内容是用铁磁共振对超薄膜、薄膜的阻尼因子及其机制的研究。本论文 的安排为：第一章绪论部分论述了本论文研究的意义和应用价值，此外还对论文中所涉及的 基本概念做了简单介绍。第二章对论文工作中所使用的生长系统和钡4 试装置进行了简单的介 绍。第三章回顾并总结了到现在为止人们对磁性薄膜中的阻尼现象及弛豫机制的理论解释及 探索。在第四章中结合第三章介绍过的理论基础研究了多晶坡奠合金单屡膜及单晶铁韵超薄 膜的铁磁共振线宽。第五章重新推导了新近提出的自旋输运的电路理论，并将其应用到一个 东南大学硕士学位论文 理想的实验体系中。 下面我们首先对本论文涉及到的几个磁学概念进行讨论。 1 。2 自发磁化与交换作用 本世纪初，w e i s s 【7 8 1 提出自发磁化的经典理论，假设铁磁性物质内部存在分子场， 能够在屠里点以下使原子磁矩有序的排列，在一个小区域内形成自发的饱和磁化，不同小区 域自发磁化强度的方向可以不同。这些自发磁化的小区匀称为磁畴。使原子磁矩平行排列的 分子场可达到8 x 1 0 8 a m ( 】o o e ) 8 】8 ，比磁矩的偶极相互作用高出3 个数量级，这么强的分 子场的产生经典理论无法解释。量子力学说明了分子场实质上是电子间的交换作用。在多电 子系统中，由于泡利原理和电子不可分辨性，出现一个由于电子交换作用的附加静电作用项， 称为交换作用能。交换作用的本质是多电子系统静电相互作用的量子效应，它影响电子的自 旋取向。静电性的交换作用是分子场的来源和本质。它是出现铁磁性、反铁磁性的根本原因。 1 2 。1 海森伯( h e i s e n b e r g ) 局域电子直接交换作用 经典的静电性相互作用不影响磁矩的取向，但量子力学证明，静电性的交换作用与电子 自旋的取向相关。海森伯首先将氢分子中发现的交换作用用于解释铁磁性的来源。因它来自 相邻原子间的直接相互作用，故称为海森伯直接交换作用。d r a c 将交换作用能表示为【9 ： e ，= - 2 4 置- s ，( 1 2 1 ) 。4 ， l ， 式中a 。为i j 原子的交换常数( 交换积分) ，s 。和s j 分别表示第u 个原子的原子自旋角动量算 褥。当交换积分a 0 对。s i s ，远邻原子自旋磁矩平行排列为基态，材料呈现铁磁性。如 果交换积分为负值，近邻原子自旋反平行排列而呈现反铁磁性或亚铁磁性。若两原子中有一 个原子含有满壳层的电子，其交换作用能为零。直接交换作用要求近邻原子波函数有交叠。 1 2 2 1 7 d g k y 交换作用( 金属中的间接交换作用) 磁有序金属主要有过度金属、稀土金属和它们的合金，丽d d 电子特别是f - f 电子处于 原子内层，其局域电子间的直接交换积分很小，不能解释金属中的磁有序现象。由r u d e r m a n 、 k i r t e l 、k a s u y a 和y o m d a 1o 】发展形成了另一种交换作用的机制。即金属中的传导电子作为中 间媒介，使局域磁矩间产生间接交换作用( r k k y 交换作用) ，使金属具有磁有序。目前，稀 金属被认为是r k k y 模型最为适用的物质。在稀土金属中4 f 电子处于原子内层，波函数 相当局域，几乎不存在交叠，但又处于s 、p 电子形成的传导电子的包围中。 1 2 3 巡游电子交换作用 过渡金属中有5 个磁有序金属，f e 、c o 、n i 、m n 、c r ，以及大量的磁性台金，它们的磁 性起源及交换作用机制最复杂，迄今仍不能认为已研究清楚。对过渡族金属的交换作用的解 释，历来有两种出发点及模型，即局域交换模型和巡游电子模型，前者虽能成功的解释自发 磁化的起源，但对解释3 d 过渡金属原子磁矩表现为分数等事实却发生了困难，而巡游电子模 2 第一章绪论 型基于“集体电子论”的能带模型，则可给出合理的解释。d 电子参与传导，并存在着费米面 等实验事实使巡游屯子模型日益成为主流。 1 2 4 超交换作用、双交换作用等局域电子交换作用 存在于许多过渡元素氧化物及其他的非金属性化合物的一种间接交换作用，效果主要表 导致了反铁磁体、亚铁磁体及某些铁磁体。 磁性原子的交换作用产生自发磁化是物质强磁性的来源，交换作用的符号决定强磁性类 型，交换积分的大小决定居里温度的高低，交换积分a 的值越大，居里温度越高，磁性材料 的热稳定性越好。 交换作用导致了各种磁有序，在磁有序状态下的静态的自旋不平行微结构如畴壁及动态 的自旋波中交换作用均有重要作用。 1 3 磁各向异性 磁各向异性通常是指磁性材料的磁性如磁化曲线对磁化方向的依赖性，严格的定义，是饱 和磁化强度在不同方向能量不同 1 2 。磁各向异性是在磁性薄膜的研究和应用中非常重要的基 本磁特性之一。磁性薄膜中常见的各向异性一般包括磁晶各向异性、感生各向异性、磁弹性 各向异性、袭( 界) 面各向异性、形状各自异性及单向各向异性等，以下做简单介绍。 1 3 1 磁晶各向异性 单晶体中原子排列的各向异性会导致许多物理、化学性能的各向异性，磁性也是其中之一， 称为磁晶各向异性。正是由于这种磁晶各向异性存在，单晶体沿不同晶轴方向上磁化所涮得 的磁化曲线和磁化到饱和的难易程度不同。我们通常把最容易磁化的晶轴称为易磁化方向， 或易磁化轴，表明沿这个晶轴方向磁化到饱和能量最低；相反，把饱和磁化能量最高的晶轴 方向称为难磁化方向，或难磁化轴。 通常磁晶各向异性能表示饱和磁化强度对于晶轴的方向余弦的函数既。由于m s 反方向时 e x 不变，磁晶各向异性的数学表达式只有方向余弦的偶次项，并服从晶体的对称性。 1 立方对称的磁晶各向异性能可表示为： k = k o + 蜀( 砰d ；+ 吒2 码2 + 砰) + k j 口1 2 辟2 2 码2 + - 0 - 3 一j ) 其中局、局、尬为各级磁晶各向异性常数，翰为常数项，嘶为m 。对与立方边重合的直角坐 标j 、y ，z 的方向余弦。 2 正方晶系的磁晶各向异性能可表示为： e x = xa + k l s i n 28 + k 2s i n 46 + k 3s i n 48c o s 币( 1 - 3 - 2 ) 其中k o ，局、恐、j b 为各级磁晶各向异性常数，畅为常数项，p 为m 。与正方= 轴的夹角， 为m 。在x - y 平面内的投影与x 轴的夹角。 3 六角晶系的磁晶各向异性能可表示为 东南大学硕士学位论文 e r = k o 十民is i n 2 口+ 丘2s i n 4 护十k 3s i n 6 矽+ k 4s i n 6 伊c o s 6 ( 1 - 3 * 3 ) 其中翰，墨n 厩? 、k 3 、为各级磁晶各向异性常数，肠为常数项，0 为m 。与六角轴z 的夹角，为m 。在x - y 平面内的投影与x 轴的夹角。 晶体中的难易磁化方向决定于局、恐等的符号及大小，在立方晶系中，若只考虑岛项， 当局 口时，既最小，【1 0 0 轴为易磁化方向， i 1 1 】轴为难磁化方向，【1 1 0 介于二者之间。 x ， o ，易磁化轴为7 - 轴；为( o 。难磁化轴为z 轴，为易平面。 多晶体的晶粒中仍有磁晶各向异性，对无结晶织构的多晶，其磁晶备向异性被平均当 有结晶织构时，其磁晶各向异性有一定表现。 1 3 2 感生各向异性和磁弹性各向异性 由于磁场热处理、应力热处理、磁场应力下制备薄膜或由于薄膜生长对微粒沉积的取向 性强磁薄膜常表现出附加的单轴各向异性。对多晶薄膜，热处理磁场方向常为易向。感生 各向异性能可表达为； e 【= k ：s i n 。e t 1 - 3 4 ) e 为m 。与热处理磁场方向夹角。合金中感生各向异性依赖于相邻原子对的方向有序；而化合 物中依赖于磁各向异性离子的空间分布。 磁弹性各向异性来自磁致伸缩的逆效应，表现为与应力相关的磁各向异性，对多晶体， 磁弹性各向异性能表达为： 气 = 一三五盯c o s 2 ( 卜3 6 ) 上 凡为饱和线磁致伸缩，口为应力，4 为m s 与应力o - 间的夹角，亦为单轴性。当a s 口 o 时， 应力方向为易轴；当2 s e x 0 时易磁化方向沿膜面 法线，称为易法线各向异性；当k s ( o 时，易磁化方向在平面内。薄膜还有相似的来源于界面 的磁各向异性及层间应力引起的磁各向异性。另外，考虑到和退磁能相关的形状各向异性及 大块材料的磁晶各向异性在有织构的薄膜中的表现，在厚度远小于膜平西尺度的磁性薄膜系 统中，单位体积中总的磁各向异性能e a 为： 4 第章绪论 ( 1 - 3 8 、 ( 1 - 3 - 9 ) t 是磁性层的厚度，k v 为有效体各向异性常数，包括磁晶、磁弹性各向异性的贡献1 2 0 1 ， 最后一项为形状各向异性的贡献。k 矿0 或k 仃( o 依赖于其中各种贡献的竞争。当l ( e 矿0 时， 易磁化方向垂直于膜面，将出现垂直磁化：反之，易轴将位于膜面内。随后的许多实验都证 实了薄膜中界面磁各向异性的存在f 1 4 1 f 1 5 】。 影响k s 大小的因素很多，除了材料本身内秉性质外，还与制备条件密切相关，其中包括 基底材料、b u f f e r 及c a p p i n g 层、温度控制、样品参数、制备手段、界面粗超度等。 1 4 形状各向异性 1 4 1 退磁场 4 - + 4 - 4 - + 图1 1 利用磁荷说明退磁场 能够被均匀磁化，其退磁场可以用 非闭合磁路或有限几何尺寸的铁磁体，若被均 匀磁化，在其两端面上将会出现n 和s 磁极，图1 1 是一个近似的示意图，表面磁极产生的磁场磁是从 正极指向负极，方向与外磁场匝及磁化强度矢量膨 的方向相反，因而有减退磁化的作用，故称为退磁 场胁。当然，退磁场玩不仅仅是表面磁极产生的， 还有体磁极的影响，其大小与铁磁体的形状和未补 偿的磁极的数值与分布有关。由于磁极是磁化强度 产生的，所以退磁场与磁化强度有关。 人们已经知道在均匀磁场中椭球形铁磁体样品 hd = 一n m ( i - 4 - 1 ) f 1 ，l ：l ，1 来描述，其中= ln 2 】n 2 2n 2 3 是一个三阶张量。丽对于非椭球铁磁体，磁化不均匀， l m ，3 ：，j 磁场作用下被磁化后，其内部的总磁场应当是外磁场匝和退磁场 b 的矢量和。总的磁场豆 东南大学硕士学位论文 体的内部磁畴结构的形成以及分布，退磁场的影响起了关键作用，退磁场是铁磁体形成多畴 的根本原因。 1 4 2 退磁场能 铁磁体在它自身产生的退磁场中所具有的位能即为退磁场能。 位能相似，但退磁场能为自能，故有因子1 2 ，退磁场能量密度为 岛= 一三2 面玩 若退磁场h d = 一n m ，则： 这与铁磁体在外磁场中的 ( 1 - 4 - 3 ) 日= 圭脚2 ( 1 4 - 4 ) 式( 1 4 4 ) 的适用条件仍然是椭球形铁磁体在均匀的外磁场中被均匀磁化。如果铁磁体不 是椭球体或不被均匀磁化其内部的退磁场和磁化强度分布都不均匀【1 6 ，因此退磁场的表示 形式就不能用( 1 4 - 4 ) 式。根据静磁理论用数值方法可以计算某些非椭球形样品的退磁场【1 7 】。 1 4 3 形状各向异性 1 椭球体 由均匀材料制成的椭球体样品。如选取坐标轴、y ，z 与椭球体的三个主轴c l 、b 、c 相重 合。均匀磁化强度m 沿三个主轴方向的分量为尬司办加p c 痧、帆= m s i n o s i n o 、必= m c o s o ， 对应于三个主轴方向的退磁因子为m 、m 、m 。 椭球体的退磁场为 何d2 一以托+ m 竺，_ ，+ 札丝 一 一 ( 1 - 4 5 ) = 一 f ( r s i n o e o s bf + 。s i n o s i n 妒j + n c o s o _ j ) 同时有：+ 。十n ：= 船 退磁场能为： e 。= 妥t n x m ：+ n y m j + n ：m ：、 ( 1 4 5 ) 1 、 = 掰2 ( ms i n 2 0 c o s 2 庐+ s i n 2 0 s i n 2 庐+ mc 。s 2 声) 西为肘方向口和的函数，称为形状各向异性能。 2 球状磁体 球状磁体是椭球的特殊情况，c o s $ l j ，球状磁体的退磁因子为以= ，= ，= 孥 j 则退磁场为： 玩：一挈面( 1 - a 7 ) j 退磁能为： 6 第一章绪论 易= 2 3 石( 、m 。2 + 肘；+ m ；) = 2 3 r e m 2 ( 1 4 8 ) 为各向同性的。 3 无限大的薄片或薄膜 无限大的薄片可以近似看成为一个扇椭球，如果其厚度方向为2 方向的话，其退磁因 子为，= n y = o ，n ：= 锄，8 ( 0 为法线方向，则退磁场能为 乓= 2 r c m ；= 2 z r m c o s 2 0 ( i - 4 9 ) 平面为易磁化方向，法线方向为难磁化方向。 由此可见，在均匀磁化下，铁磁体的退磁能e 。与铁磁体的退磁因子n 和磁化方向有关。 对于不同的形状，或沿其不同方向磁化时，相应的退磁场能不同。这种因形状不同引起的能 量各向异性称为形状各向异性。形状各向异性能仅只随磁体形状变化而改变，与材料本身的 性质无关但是对铁磁体材料的宏观磁特性的影响是十分大的。对于非椭球样品，由于退磁 场与磁化不均匀，( 1 - 4 7 ) 至( 1 - 4 9 ) 式只能在近似的情况下适用。 1 5 自旋波 c a 旋波理论是1 9 3 0 年由布洛赫【1 8 】首先提出的，自旋波又称为磁振子，它是固体中一种 重要的元激发，它是由局域自旋之闯存在静磁及交换作用两引起的。 自旋波是为了解释低温时自发磁化强度随温度下降而提出来的。在绝对零度口= o k ) 下， 热力学第三定律要求自旋体系呈现完全的有序。如铁磁体系( a o ) ，所有的自旋应平行排列a 每个格点自旋量子数均取最大值，体系的总磁矩为= n s 9 1 z b = n u n ，体系处于基态。当稍 微升高体系的温度，使体系中能够有个自旋发生反转。由于相邻格点间的交换作用，翻转 了的自旋将牵动近邻格点的自旋，使它们趋于翻转；而近邻格点的自旋又力图使翻转了的自 旋重新翻转回来。自旋的翻转不会停留在一个格点上，而是要一个传一个，以波的形式向周 围传播，直至弥散到整个晶体。我们把这种自旋翻转在晶体中的传播称为自旋波( 类似于晶 格振动的传播- 格波) 。这种自旋波的激发比单个自旋的激发的能量低，附合低温下m 随温 度上升而下降的实验得到了7 m 律。 自旋波作为一种波，在一定的边界条件下，可以成为驻波，在均匀的或不均匀的微波 场作用下得到共振激发，因此可以在实验上被观察到。描述波性质最重要的关系是色散关系。 自旋波又作为种准粒子，当它与其他粒子相互碰撞时，将发生动量和能量的交换，提供了 观测自旋波的不同途径。 1 9 5 8 年k i t t d 预言1 1 9 ，只要满足一定的表面钉扎条件，磁性薄膜在均匀交变场中能够 观察到被交变场直接激发的自旋波共振，同年，s e a v e y 和t e n n e n w a l d 首先利用铁磁共振仪在 坡莫合金薄膜上观察到多重自旋波共振激发 2 0 ，此后，人们对自旋波共振现象进行了广泛 的研究，提出了各种模型以解释所观察到的各种共振谱型。现在，自旋波共振的研究已成为 研究材料内禀性质和薄膜表面特性的有效手段之一。 7 东南大学硕士学位论文 1 6 本论文的工作 本论文以超薄膜、薄膜为主要研究对象，以铁磁共振实验方法为主，辅以结构、磁性等 测量，对薄膜的磁性阻尼及弛豫机制进行了较为系统的研究。 坡莫台金由于其好的软磁特性被广泛地应用于磁存储等器件中，目前成为纳米磁性材料 首选的研究对象，我们对以s i 为衬底，t a 为缓冲层和保护层的单层多晶坡莫台金n i s o f e 2 0 薄 膜进行了系统的研究，研究厚度从2 r i m 到3 8 5 n m ，通过对样品铁磁共振线宽的拟合，研究了 多晶薄膜中与阻尼园子相关的弛豫机制，并率先通过铁磁共振方法得到自旋输运过程重要的 特征参数。另外我们对在半导体衬底g a a s ( 0 0 1 ) 上的从厚度为4 1 3 3 个原子层厚度( m o n o l a y e r , m l ) 的铁单晶超薄膜进行了铁磁共振谱的测量，对共振实验结果进行了模拟，分析了线宽机 制，井第一次提出了一个描述g i l b e r t 衰减因子各向异性的经验公式。 为了更清楚我们得到的自旋输运参数的物理意义，我们用一种更直观的方式推导了新近 提出来的自旋输运的电路理论，结合这个理论对一个理想的实验体系进行了分析。 8 墨二主堑堡 一 参考文献 【l l m m a n s u r i p u r ，p h y s i c a lp r i n c i p l e so f m a g n e t o o p t i c a lr e c o r d i n g s ，c a m b r i d g eu n i v e r s i t yp r e s s ( 1 9 9 3 ) 2 1 g p r i n z ，s c i e n c e ，2 8 2 ，1 6 6 0 ( 1 9 9 8 ) 【3 l s a w o l f e ta 1 ，i e e em a g 3 6 ( 5 ) ，2 7 4 8 ，( 2 0 0 0 ) 【4 m f a d e ，r e ) p r o g p h y s 6 1 ，7 5 5 ，( 1 9 9 8 ) 【5 j i n gs h ie la 1 ，a p p l p h y s l e t t ，7 4 ( 1 7 ) ，2 5 2 5 ，( 1 9 9 9 ) 6 w p l a t o we ta l ，p h y s r e p b 5 8 ( 9 ) ，1 ，( 1 9 9 8 ) 【7 】郭贻诚，铁磁学，入民教育出版社，3 6 ，( 1 9 6 5 ) f 8 1 戴道生、钱昆明，铁磁学，科学出版社，1 2 1 ，( 1 9 9 2 ) 9 w h e i s e n b e r g , z p h y s i l ( ，1 9 ，6 1 9 ，( 1 9 2 8 ) 【1 0 l c z e n e r , p h y s r e v ，8 24 0 3 ，( 1 9 5 1 ) 1i d h m a r t i n ，m a g n e t i s mi ns o l i d s ，l o n d o ni l i 行cb o o kl t d ( 1 9 6 7 ) 【1 2 】冯端等。金属物理学，第四卷，超导电性与磁性，科学出版社，4 6 0 ，( 】9 9 8 ) 【1 3 i l n e e l ，j p l a y s r a d i u m ，1 5 ，3 7 6 ，( 1 9 5 4 ) 1 4 u g r a d m a n n ，p 1 1 y s s l a t s 0 1 ，2 7 ，3 1 3 ，( 1 9 6 8 ) 【15 b h e i m i c ha n dj f c o a h r a n ，a d v a n c e si np h y s i c s ，4 2 ，5 2 3 ，( 1 9 9 3 ) 1 6 r i j o s e p ha n de s c h l o m a n n ，j a p p l p h y s ，3 6 ( 5 ) 1 5 7 9 ( 1 9 6 5 ) 【1 7 v p s h c h e r b a k o v ，e ta 1 ，p h ”o f t h ee a r t ha n dp l a n e t a r yi n t e r i o r s ，6 5 ，1 5 ( 1 9 9 0 ) 1 8 1 f b l o c h ，z p h y s i k , 7 4 ，2 9 5 ，( 1 9 3 2 ) ；6 1 ，2 0 6 ，( 1 9 3 1 ) f 1 9 c k i t t e l ，p h y s r e v ，11 0 ，1 2 5 9 ，( 1 9 5 8 ) 2 0 3 m h s e a v e ya n d p ，e t e n n e n w a l d ，p h y s r e v 。l e t t ，1 ，1 6 8 ，( 1 9 5 8 ) 东南大学硬士学位论文 第二章基本实验方法及测量原理 我们对薄膜结构及其磁性的了簸是建立在对他们的各种测试分析的基础上的。近几年来， 由于样品制备手段的不断完善和发展，以及多种先进的物性分析技术的运用，使各项研究工 作得以更为深入地进行并取得了许多的成果。本章将简介论文工作所涉及到的一些基本实验 方法和测试手段， 2 1 薄膜的制备 薄膜的制备方法有很多种，主要包括：物理气相凝聚 1 、化学气相淀积和电化学沉积 2 。而物理气相凝聚一般有：加热蒸发( 包括分子束外延即m b e ) 和溅射法。由于我们所 研究的薄膜采用的制各手段涉及到多神方法，因而下面我们做些简单的介绍。 2 1 1 薄膜生长过程 蒸发、溅射和分子束外延等方法制备薄膜的过程多是成核、生长的过程。当衬底表面只 吸附少量生长物原子时，这些原子是不稳定的，很容易挣脱衬底原子的吸引，离开衬底表面。 只有沉积在基片上的原子在表面扩教过程中相遇并结合成原子团，然后这些原子团不断吸收 新的原子加入而逐渐长大形成晶核。由统计物理可以计算出临界晶核有时只需几个原子即可 组成。这些临界晶核再吸收一个原子就可以稳定下来并不断长大。利用透射电镜已观察到尺 寸小到1 n m 的稳定晶核。 稳定晶核数目不断增多后，晶粒之间的原子只需扩散一个短距离就可合并到晶核上去而 不易形成新的晶核，此时稳定晶核( 有些已长大) 数达到极大值继续沉积使晶核不断长大 成小岛，小岛相遇后发生合并。形成大岛：当沉积到一定的时间后，小岛已经大体相连只留 下小量沟状的空白区。继续沉积的结果，原子便会填补空白区使薄膜连成一片，形成完整的 膜。在清洁的晶体衬底上薄膜生长的机制可分为三种：三维生长、二维生长和单层二维生长 后三维生长，它们的示意图见图2 1 。生长的模式依赖于许多因素，如衬底与生长原子相互作 用，晶格匹配，温度、生长速度等工艺条件，等等。 图2 1 薄膜生长的三种机制： ( a ) 三维生长。( b ) 二维生长，( c ) 单层生长后三维生长 2 1 2 分子束外延生长单晶薄膜 基于气相一圃相转变的制备方法中最直接的例子是真空蒸发镀膜技术，这种方法比较简 单，但在适当的条件下，可提供非常纯净的而且在一定程度上是既定结构的薄膜。蒸发镀膜 包括以下几个阶段，电阻或电子束( 电子束轰击可以使靶材的温度很高足以使难熔金属原子 1 0 第二章基本实验方法及测量娘理 蒸发出来) 加热使原料蒸发或升华，把被沉积的原料转变为气态，气相原子或分子穿过真空 空间，到达位于加热源上方的衬底表面，在衬底表面上原子或分子重新排列或他们之间的键 合发生变化，凝结成膜。如果衬底是“冷”的，衬底表面俘获的原子或分子没有足够的能量 在衬底上移动形成有序结构，很有可能形成非晶薄膜。升高衬底温度，可以促进薄膜的结晶。 在1 0 1 p a 超高真空下以每秒0 1 1 r i m 的慢沉积率蒸发镀膜称为分子柬外延技术 ( m o l e c u l a rb e a me p i t a x y ，简称m b e ) ，因为这时薄膜可以在适当的单晶基片上外延生长( 薄 膜的晶体结构和基片晶体结构保持严格的位向关系) 。所以分子束外延技术能够在单晶衬底上 制备厚度仅为原子层量级的高纯完整单晶薄膜。一般分子柬外延设备中有二至三个电子束蒸 发源，可以分别控制蒸发率以获得成分均匀的合金膜；还可以周期性地改变膜的成分制各超 晶格材料。分子柬外延设各同时还配备有俄歇电子能谱仪、反射高能电子衍射仪等表面分析 装置，以便随时观察表面成分和表面晶格结构。外延磁性单晶薄膜的分子柬外延设备还会配 各磁光k e r r 回线测量装置以监测磁性的变化。 2 1 3 溅射法制备多晶薄膜及多层膜 众所周知，溅射现象源于阴极表面的气体辉光放电，溅射料呈板材作为阴极，基片置于 阳极附近，高真空状态下放入工作气体( 一般为氩气) ，在处于l - - 0 1 p a 的低工作气压中，在 两极上施加0 1 一l o k v 的电压，使工作气体原予电离成等离子体，从而产生具有高离子浓度 图2 ，2 溅射原理图 的辉光放电区，等离子体中的正离子在电场作用 下轰击阴极的靶材。与靶表亟原子和原子团交换 能量，使之飞溅出来，沉积到基片表面形成薄 膜，故称此镀膜方法为溅射法 3 。 溅射几乎可以用来沉积任何固体材料的薄 膜，所得膜层致密、纯度高、与基片附着牢固。 溅射方法种类繁较多，有直流磁控溅射法、射频 溅射法、离子束溅射法等，这里我们着重介绍离 子束溅射法。 在比较低的气压下，从离子源区处的氩离子 以一定角度对靶材进行轰击，由于轰击粒子的能 量大约为1 k c v 。对靶材的穿透深