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摘要本文主要对不同厚度的 Dy 中间层对 FeNi 软磁薄膜的静态磁性能和动态磁性能的影响进行研究。研究发现，在 FeNi/Dy/FeNi 三层膜体系样品中，易轴的矫顽力随 Dy 中间层厚度变化先增大再减小后增大，难轴的矫顽力随Dy 中间层厚度变化不大；各向异性场随Dy 中间层厚度增加先增加后减小。由铁磁共振线宽与频率的关系可得知，本征阻尼起主导作用。随着 Dy 中间层厚度的增加，由于自旋泵浦效应，样品的本征阻尼系数先显著增大后趋于平缓，并在 Dy 中间层厚度达到10nm 时本征阻尼系数达到最大为0.13。所以我们通过调 Dy 中间层的厚度可以调节软磁薄膜的静态磁性能和动态磁性能， 从而得到本征阻尼较大的三层软磁薄膜体系，在自旋电子器件等方面具有潜在应用。48670
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毕业论文关键词 磁控溅射 铁磁共振 磁各向异性 FeNi 薄膜 阻尼
Title Tuning the dynamic damping of in-plane anisotropy softmagnetic multi-layers film by rare-earth spacer layersAbstractIn this paper,we study the magneto dynamic properties of FeNi/Dy/FeNi.From VSMdata,it exhibited that in FeNi/Dy/FeNi system,the coercivity of easy axis keptincreasing with the thickness of Dy spacer layer, it increases first and thendecreases and then increases again. The coercivity of hard axis changed littlewith the thickness of Dy,while the anisotropy field increase first and thendecrease.The FMR data exhibited that intrinsic damping plays a dominant role in thesystem.Due to the spin pumping,with the thickness of Dy spacer layer increase,intrinsic damping coefficient of the system significantly increase first and thenchanged little,and the intrinsic damping coefficient reached the highest value0.13 when the thickness of Dy spacer layer was 10nm.Therefore,the magneto dynamicproperties can be controlled by controlling the thickness of Dy spacer layer,andwe can gain trilayers of soft magnetic thin film system with large intrinsic dampingcoefficient,and they can be widely applied in the field of electronic spin devices.
Keywords: Magnetron sputtering，Ferromagnetic resonance , magnetic anisotropy,permalloy(Py), damping
目 次
1 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 磁化动力学和铁磁共振 2
1.3 稀土、过渡金属合金以及薄膜的研究进展 5
2 实验过程和方法 8
2.1 磁控溅射技术 8
2.2 振动样品磁强计（VSM） 9
2.3 铁磁共振（FMR） 10
2.4 单层薄膜的制备与表征 11
2.5 多层薄膜的制备 13
3 薄膜样品磁性能分析 15
3.1 不同 Dy 中间层厚度的三层膜体系静磁性能 15
3.2 不同 Dy 中间层厚度的三层膜体系的高频磁性能 17
3.3 本征阻尼变化及原因 18
结论 19
致谢 20
参考文献21
1 绪论1.1 引言磁性薄膜的磁动力特性是磁性新兴研究领域的中心。 根据布洛赫对自旋波（SWs）原始描述以及随后的均一铁磁共振（FMR）第一次直接测量的结果，主要焦点集中于长波长和低振幅的自旋上。在这个所谓的静磁近似中，自旋波频散受偶极相互作用作用，而用于描述自旋波动力学的最重要材料参数为饱和磁化强度（MS）、任意各向异性场以及自旋波阻尼（α） 。薄膜的应用中，由于具备低矫顽力、低磁晶各向异性、低磁致伸缩性以及低α值等特性，坡莫合金（Py）已占据磁性金属的主导地位。近期有一些研究已经报道说明，
坡莫合金的 MS和α可以通过掺杂过渡金属和稀土金属进行合金化而进行调节： Rantschler 等人[1]研究了掺杂对 Py磁阻尼的影响，结果发现掺杂重元素对磁阻尼的影响较强，这表明自旋轨道耦合有重要作用。Woltersdorf 等人[2]对稀土掺杂对 Py 的影响进行了研究并解释认为，磁阻尼的增加是由于这些惰性掺杂造成的。当自旋波的波长减小时，其能量会增加且波频散会因交换相互作用而改性。在中性波矢（k）方向上，偶极交换自旋波替代了静磁自旋波，并且如果波长进一步减小，他们将完全被交换自旋波为替代。在这种情形下，为了准确描述自旋波的磁动力学特性，还需要知道交换刚度（A）。根据近期关于自旋转移矩（STT）的探索，创造以交换为主的传播自旋波以及局部磁激励已变得相对简单，如自旋阀和磁液滴。这些非线性自旋波模式既是纳米接触自旋转矩纳米振荡器（STNOs）的基础，又是自旋霍尔纳米振荡器（SHNOs）的基础，将其应用于单机微波信号发生器和磁振子装置中自旋波注入器都具有广阔的应用前景。 为订做这些设备，不仅需要控制 MS和α，还包括A的值。在近两项研究中，Lepadatu 等人[3]报告称，掺杂金属V 和 Gd 进行合金化可以降低 A值，这是根据磁畴壁钉扎强度间接得出的结果。但这项研究在单独控制MS，α与 A时作用显著，例如在合金化过程中，通过掺杂对每个参数有着不同影响的不同的元素，来调节这三个参数。Yin 等人对掺杂了三种重金属 Pt、Au与 Ag 的 Py 薄膜合金的 MS，α与 A 以及各向异性磁电阻（AMR）进行了系统地研究。他们利用宽带铁磁共振（FMR）光谱，从均一 FMR 模式中,源!自&751*文,论/文]网[www.751com.cn，得出饱和磁化强度（MS），阻尼（α）并且从第一正交自旋模式（PSSW）中获得交换刚度。他们发现，MS和 A随着合金化程度增加而减小，这在合金金属为 Au 和 Ag 时更为显着，但对掺杂 Pt 的薄膜影响最小。而随着 Pt 含量的增加，α值迅速增加，但其对 Au 含量的依赖性相对较缓和，而 Ag 的含量对其影响甚微。因此，按照不同比例的 Pt、Au 与 Ag 的合金化可以定义一个三维参数空间，在该空间中，MS，α与 A可在一定范围内，随比例变化独立变化。为了证明这一可能性，他们设计了一套 Py100-x-yPtxAgy薄膜，其目标为 MS恒定，且阻尼放大 4 倍，之后他们用实验证实了这一点。Ab initio 计算使用相干势近似（CPA）得到了这些整体的结果，并提供了能更深入了解实验趋势的视角。特别是，通过分析 Pt，Au，与 Ag 的磁化率、交换能、化学键以及自旋轨道耦合之间的区别，这些观测参数中的趋势的物理起源得到了定性的解释。随着人们对磁性薄膜的磁动力特性的更加深入的研究，大家对磁性材料的性能的要求也将变得更加严格，磁性材料需要具有小型化、高频率、高磁性能、贴片化、抗电磁干扰和低损耗等优秀性能，磁应用技术向软磁金属薄膜微波器件的新纪元迈出了重要的一步。1.2 磁化动力学和铁磁共振1.2.1 磁化动力学过程Landau 和 Lifshitz[4]在 1935年提出了关于磁化矢量 M 的运动方程，当处在磁化平衡态的时候， M 总是会与 H eff平行。当 M 的方向发生改变时，将导致 M 与 H eff不平行，此时 M 将会受到一个力矩L的作用，它的大小为L = 0 M ×H eff磁化矢量的运动方程为： dtdM =-M ×H eff即在力矩L的作用下， 磁化矢量 M 将作围绕 H eff的进动。M 进行的是无阻尼的进动，M将作永远不停的围绕 H eff的进动，即在 M 与 H eff之间的夹角 一直保持着不变。但是在实际中，在铁磁体的内部总是会有阻尼的存在，致使进动的动能不断减小，在 M 与 H eff之间的夹角 也不断减小，最终导致 M 与 H eff的方向变的一样。图1-1 表示 M 在有阻尼的情况下的进动过程。