铁磁/非磁金属异质结中的拓扑霍尔效应

在铁磁/非磁金属异质结中,界面处的Dzyaloshinskii-Moriya相互作用会诱导诸如磁性斯格明子等手性磁畴壁结构的形成.当巡游电子通过手性磁畴壁结构时,会获得一个贝里相位,而相应的贝里曲率则等效于一个外磁场,它将诱导额外的霍尔效应,即拓扑霍尔效应.拓扑霍尔效应是当前磁性斯格明子和自旋电子学研究领域的热点之一.本文由实空间贝里相位出发,简要介绍了拓扑霍尔效应的物理机制;然后着重讨论了铁磁/非磁金属异质结中的拓扑霍尔效应,包括磁性多层膜中和MnGa/重金属双层膜中的拓扑霍尔效应.这两种结构都可以通过改变材料的厚度、种类、生长方式等调控界面Dzyaloshinskii-Moriya相互作用,从而有效地调控磁性斯格明子和拓扑霍尔效应.     

磁性d波超导/铁磁/磁性d波超导结中的约瑟夫森效应

通过求解磁性d波超导中的能隙和磁交换能的自洽方程, 研究磁性d波超导/铁磁/磁性d波超导结中的约瑟夫森电流. 计算结果表明: 1)临界电流随中间的铁磁层厚度呈现出两种不同周期的振荡混合, 通过增强铁磁层中的磁交换能q₀和铁磁/磁性d波超导界面处的势垒强度z₀, 短周期分量可从长周期中分离出来, 反之, 通过降低q₀和z₀, 长周期分量可从短周期中分离出来; 2)在两边磁性d波超导的磁化方向取平行时, 在取一些特定的铁磁层厚度下, 磁性d波超导中的磁交换能可增强系统的临界电流. 关键词： 磁性d波超导体 铁磁体 约瑟夫森电流     

Pt/GdFeCo/Pt多层膜的磁性和反常霍尔效应研究

亚铁磁材料因具有反铁磁排列的子晶格磁矩而表现出诸多丰富的物理性质,在磁信息存储和逻辑领域具有广阔的应用前景.本文采用磁控溅射方法在热氧化的硅基片上制备了Pt/GdFeCo(t)/Pt多层膜,系统研究了亚铁磁GdFeCo厚度对多层膜的表面形貌、结构、磁性以及反常霍尔效应(AHE)的影响.结构测试表明薄膜表面粗糙度较小,且GdFeCo层为非晶态;实验中利用GdFeCo层厚度可有效控制Gd元素含量,从而调控GdFeCo趋近反铁磁态特性的磁矩补偿点;通过重金属强自旋轨道耦合效应(SOC)和非晶态亚铁磁薄膜面内压应力,实现了良好垂直各向异性(PMA);进一步阐明了亚铁磁薄膜中磁性和反常霍尔效应的内在产生机制以及磁矩补偿点与温度的内在关系.这些结果为构建新一代低功耗自旋电子器件奠定基础.     

自旋电子学材料、物理和器件设计原理的研究进展

文章介绍了作者所在实验室在巨磁电阻(GMR)、隧穿磁电阻(TMR)、庞磁电阻(CMR)和反铁磁钉扎薄膜材料以及单晶金属氧化物、高自旋极化率材料、P-N异质结和纳米环磁随机存储器原理型演示器件设计等研究方面取得的一些重要研究成果和进展.例如:在Al-O势垒磁性隧道结材料体系里,获得室温磁电阻超过80%的国际最好结果;获得两种高性能层状反铁磁钉扎材料体系;发现具有大的电致电阻效应的CMR薄膜材料,并可期望用于电流直接进行磁信息写和读操作的磁存储介质;发现双势垒磁性隧道结中的量子阱态共振隧穿和磁电阻振荡效应,以及纳米器件体系中自旋翻转长度的观测新方法,可用于新型自旋电子学材料及相关器件的人工辅助设计;利用电子自旋共振谱探测和研究了金属氧化物的微观自旋结构和各向异性;在[CoFe/Pt]n磁性金属多层膜中,观测到超高灵敏度的反常霍尔效应;利用纳米环状磁性隧道结作为存储单元,研制出一种新型纳米环磁随机存储器MRAM原理型演示器件.     

铁磁/反铁磁双层膜中的磁锻炼效应

采用Monte Carlo 方法,研究铁磁/反铁磁双层膜中的磁锻炼效应.结果表明,反铁磁层中冷场诱发的界面净磁化(钉扎效应)的磁弛豫可导致系统中的交换偏置场的磁锻炼效应.进一步研究表明,反铁磁层中掺杂可调控交换偏置场的磁锻炼效应,原因在于反铁磁层中掺杂能有效地改变冷场诱发的净磁化的磁弛豫过程.     

铁磁金属薄膜磁性的电场调制

文章主要介绍了Science上发表的Weisheit M 等人利用外加电场调制铁磁金属薄膜磁性的实验工作,该工作所用的实验方法简单、有效,为人们改变金属磁性开辟了一条崭新的道路,有序合金FePt和FePd具有垂直的磁晶各向异性,将它们置人碳酸丙烯脂的电解液中,利用铁磁薄膜和液体接触面形成的双电层电容结构,可以在样品表面产生很大的电场,从而可以调控金属薄膜费米面附近未成对的d电子的态密度.由于费米面附近电子填充数的变化,铁磁薄膜的磁晶各向异性也会受到调制,实验结果表明,-0.6mV的电压变化会导致厚度为2nm的FePt和FePd合金的矫顽力分别减少4.5%和增加1%,这是第一次观测到电场调控金属薄膜磁性的实验工作.     

磁性多层膜的巨磁电阻随铁磁和非磁层厚度变化的唯象理论计算

根据唯象理论，并采用以铁磁─非磁混合层代替铁磁／非磁层界面的理论方法，计算了Ｆｅ／Ｃｒ多层膜的巨磁电阻随铁磁和非磁层厚度的变化关系与实验结果做了比较，发现它们符合得较好．还绘出了巨磁电阻随铁磁和非磁层厚度变化的二元函数图 关键词：     

复合结构丝中的电流密度分布和巨磁阻抗效应

提出了由中间为高电导率的非铁磁性金属丝外面包裹一层铁磁材料组成的复合结构丝的电流 密度分布和巨磁阻抗(GMI)效应模型，并对Cu/FeCoNi复合丝进行了数值模拟. 结果表明：在 相同的磁性材料几何尺寸和磁特性时，Cu/FeCoNi复合丝铁磁层内的电流随频率的升高比匀 质FeCoNi铁磁丝内的电流更趋于表面分布，而且开始出现趋肤效应时对应的频率明显降低. 当在比较低的频率下就可以观察到明显的MI变化时，复合结构丝中的电阻和电抗变化主要是 由趋肤效应引起，趋肤效应仍然是引起复合结构材料(包括多层薄膜结构) 关键词： 电流密度 巨磁阻抗效应 趋肤效应     

铁磁/反铁磁双层膜系统中的磁畴动力学行为

比较了铁磁单层膜与铁磁/反铁磁双层膜结构中的磁畴演化行为, 发现由于反铁磁层膜对铁磁层膜的耦合作用使得系统的磁畴壁厚度、 磁畴壁等效质量、磁畴壁移动速度等发生了改变, 系统的矫顽场增强, 并出现了交换偏置场. 文章具体研究了反铁磁层耦合作用下其磁畴壁厚度、 等效质量以及磁畴壁移动速度等与反铁磁层的净磁化、 磁各向异性、界面耦合强度以及温度等的关系; 并研究了其对铁磁/反铁磁双层膜中的交换偏置场、矫顽场的影响. 进而 从磁畴结构的形成及其演化上揭示了铁磁/反铁磁双 层膜中出现交换偏置以及矫顽场增加的物理机制.     

侧向铁磁/铁磁超晶格的推迟模式

用等效介质理论计算了半无限侧向铁磁/铁磁超晶格的推迟模式.且以Co/Ni体系超晶格为例具体计算了该超晶格的表面模式和体模式,展示出一些与磁性/非磁性超晶格不同的有趣性质.侧向磁性/磁性超晶格具有较复杂的推迟模式,这是一种具有高度一般性的体系,在改变构成超晶格的两种铁磁层的厚度的比值、外场时,可以调节两支表面模式的频率以及体模式的频带,这种调节作用是与两种铁磁层的饱和磁化值有关的.当饱和磁化值相差较大时,调制效果是很明显的.当第二种铁磁介质饱和磁化值趋于零时,该体系演变成熟知的磁性/非磁性超晶格.当取麦克斯 关键词： 铁磁/铁磁超晶格 推迟模式 等效介质理论 自旋波谱     

Giant magnetoimpedance effect in sputtered single layered NiFe film and meander NiFe/Cu/NiFe film

Giant magnetoimpedance (GMI) effect on NiFe thin film is very promising due to its application in developing the magnetic field sensors with highly sensitivity and low cost. In this paper, the single layered NiFe thin film and NiFe/Cu/NiFe thin film with a meander structure are prepared by the MEMS technology. The influences of sputtering parameters, film structure and conductor layer width on GMI effect in NiFe single layer and meander NiFe/Cu/NiFe film are investigated. Maximum of the GMI ratio in single layer and sandwich film is 5% and 64%, respectively. The results obtained are useful for developing the high-performance magnetic sensors based on NiFe thin film.     

FeCuCrVSiB单层和多层膜的横向巨磁阻抗效应

用射频溅射法制备了Fe_71.5Cu₁Cr_2.5V₄Si₁₂B₉单层膜和结构为(F/S)₃/M/(F/S)₃的多层膜，在制备过程中加72kA/m的纵向磁场.研究表明在制备过程中加磁场明显改善了材料的软磁性能，降低了材料的矫顽力.将样品经不同温度退火热处理后，发现经230℃退火1.5h的单层膜和多层膜具有最佳的软磁性能和最大的磁阻抗效应，单层膜最大横向磁阻抗比为37.5%，多层膜最大横向磁阻抗比高达277%.通过比较单层和多层膜磁阻抗效应随频率和磁场的变化，发现多层膜具有较低的磁阻抗效应的临界频率和峰值特征频率，和较大的磁阻抗变化率，而且有较低的横向磁阻抗效应的饱和场. 关键词： 铁基合金 多层膜 巨磁阻抗效应     

2-2型磁电复合薄膜CoFe2O4/Pb(Zr0.53Ti0.47)O3静磁耦合

运用溶胶-凝胶法在Pt/Ti/SiO₂/Si基片上旋涂制备了2-2型CoFe₂O₄/Pb(Zr_0.53Ti_0.47)O₃磁电复合薄膜．制备的磁电薄膜结构为基片/PZT/CFO/PZT*/CFO/PZT,通过改变中间层PZT*溶胶的浓度,改变磁性层间距以及静磁耦合的大小．SEM结果表明,复合薄膜结构致密,呈现出界面清晰平整的多层结构．制备的复合薄膜具有较好的铁电与铁磁性能．实验还研究了静磁耦合对薄膜磁电性能的影响,结果表明,随着复合薄膜磁性层间距的减小,静磁耦合效应的增加,磁电电压系数有逐渐增大的趋势.     

Flexible tuning microwave permeability spectrum in [ferromagnet/antiferromagnet]_n exchange-biased multilayer stack structure

NiFe/[IrMn/NiFe/IrMn] 5 /[NiFe/IrMn] 4 /NiFe structured exchange-biased multilayer films are designed and prepared by magnetron sputtering. The static and the microwave magnetic properties are systematically investigated. The results reveal that adding a partially pinned ferromagnetic layer can effectively broaden the ferromagnetic resonance linewidth toward the low frequency domain. Moreover, a wideband multi-peak permeability spectrum with a 3.1-GHz linewidth is obtained by overlapping the spectra of different partially pinned ferromagnetic layers and [antiferromagnet/ferromagnet/antiferromagnet] n stacks. Our results show that the linewidth of the sample can be feasibly tuned through controlling the proper exchange bias fields of different stacks. The designed multilayered thin films have potential application for a tunable wideband high frequency noise filter.     

Single domain wall dynamics in ferromagnetic lamination with variable conductivity

The influence of variable conductivity and thickness of two outer non-ferromagnetic layers on magnetization reversal of one central ferromagnetic layer is theoretically investigated. The model of a thin rigid 180°$180°$ domain wall moving transversely through the axially magnetized ferromagnetic layer is used to calculate induced eddy currents in lamination from which the domain wall mobility is determined. The effect of asymmetric distribution of eddy currents around moving domain wall results in acceleration of the wall near the edge of the lamination. The known domain wall mobility in ferromagnetic lamination can then be used to determine either the conductivity or the thickness of deposited outer non-ferromagnetic layers as proposed in discussion.     

FeCuNbSiB单层膜和三明治膜的磁特性与巨磁阻抗效应

用射频溅射法制备了Fe_73.5Cu₁Nb₃Si_13.5B₉单层膜和 Cu或Ag作为中间层的三明治膜.溅态膜为非晶态结构.磁畴观察结果表明,单层膜在380℃退火后,呈现均匀磁化的纳米晶结构,该样品软磁特性最佳,其巨磁阻抗效应最大,在13MHz,最大磁阻抗比纵向为18％,横向为14％.溅态三明治膜具有较大的巨磁阻抗效应,在13MHz,Cu夹层三明治膜的最大磁阻抗比纵向为32％,横向为11％,Ag夹层三明治膜的最大磁阻抗比纵向为47％,横向为57％.Cu夹层三明治膜经250℃退火后,在低频下表现为巨磁电感效应,在100kHz,最大磁电感比为1733％. 关键词：     

垂直各向异性Ho3Fe5O12薄膜的外延生长与其异质结构的自旋输运

垂直磁各向异性稀土-铁-石榴石纳米薄膜在自旋电子学中具有重要应用前景.本文使用溅射方法在(111)取向掺杂钇钪的钆镓石榴石(Gd_0.63Y_2.37Sc₂Ga₃O₁₂,GYSGG)单晶衬底上外延生长了2—100 nm厚的钬铁石榴石(Ho₃Fe₅O₁₂,HoIG)薄膜,并进一步在HoIG上沉积了3 nm Pt薄膜.测量了室温下HoIG的磁各向异性和HoIG/Pt异质结构的自旋相关输运性质.结果显示,厚度薄至2 nm的HoIG薄膜(小于2个单胞层)在室温仍具有铁磁性,且由于外延应变,2—60 nm厚HoIG薄膜都具有很强的垂直磁各向异性,有效垂直各向异性场最大达350 mT;异质结构样品表现出非常可观的反常霍尔效应和“自旋霍尔/各向异性”磁电阻效应,前者在HoIG厚度小于4 nm时开始缓慢下降,而后者当HoIG厚度小于7 nm时急剧减小,说明相较于反常霍尔效应,磁电阻效应对HoIG的体磁性相对更加敏感;此外,自旋相关热电压随HoIG厚度减薄在整个厚度范围以指数方式下降,说明遵从热激化磁振子运动规律的自旋塞贝克效应是其主要贡献者.本文结果表明HoIG纳米薄膜具有可调控的垂直磁各向异性,厚度大于4 nm的HoIG/Pt异质结构具有高效的自旋界面交换作用,是自旋电子学应用发展的一个重要候选材料.     

Thickness dependence of microstructures in La0.9Sr0.1MnO3 thin films grown on exact-cut and miscut SrTiO3 substrates

The thickness dependence of microstructures of La_0.9Sr_0.1MnO₃ (LSMO) thin films grown on exact-cut and miscut SrTiO₃ (STO) substrates, respectively, was investigated by high-angle X-ray diffraction (HXRD), X-ray small-angle reflection (XSAR), X-ray reciprocal space mapping and atomic force microscopy (AFM). Results show that the LSMO films are in pseudocubic structure and are highly epitaxial [0 0 1]-oriented growth on the (0 0 1) STO substrates. The crystalline quality of the LSMO film is improved with thickness. The epitaxial relationship between the LSMO films and the STO substrates is [0 0 1]_LSMO[0 0 1]_EXACT-STO, and the LSMO films have a slight mosaic structure along the q_x direction for the samples grown on the exact-cut STO substrates. However, an oriented angle of about 0.24° exists between [0 0 1]_LSMO and [0 0 1]_MISCUT-STO, and the LSMO films have a mosaic structure along the q_z direction for that grown on the miscut STO substrates. The mosaic structure of both groups of the samples tends to reduce with thickness. The diffraction intensity of the (0 0 4) peaks increases with thickness of the LSMO film. The XSAR and AFM observations show that for both groups, the interface is sharp and the surface is rather smooth. The mechanism was discussed briefly.     

基于PbMg_(1/3)Nb_(2/3)O_3-PbTiO_3压电单晶的磁电复合薄膜材料研究进展

电子信息技术的迅速发展对磁电功能器件的微型化、智能化、多功能化以及灵敏度、可靠性、低功耗等都提出了更高的需求,传统的块体磁电功能材料已日渐不能满足上述需求,而层状磁电复合薄膜材料同时具有铁电性、铁磁性和磁电耦合等多种特性,因此能满足上述需求且有望应用于新一代磁电功能器件.层状磁电复合材料不仅具有非常丰富的物理现象和效应,而且在弱磁探测器、多态存储器、电写磁读存储器、电场可调低功耗滤波器、移相器、天线等微波器件中也具有广阔的应用前景,因而受到材料科学家和物理学家广泛的关注和研究.在层状磁电复合材料中,功能薄膜/铁电单晶异质结因其制备简单、结构设计和材料选择灵活以及电场调控方便和有效,最近十余年引起了越来越多的研究人员的兴趣.目前,以具有优异铁电和压电性能的(1-x)PbMg_(1/3)Nb_(2/3)O_3-PbTiO_3(PMN-PT)单晶作为衬底,构建功能薄膜/PMN-PT异质结已成为国内外多铁性复合薄膜材料研究领域的重要方向之一.相比于其他国家,我国科学家无论在发表的文章数量还是在文章被引用次数方面都处于领先地位,表明我国在功能薄膜/PMN-PT单晶异质结方面的研究卓有成效.迄今为止,研究人员已构建了锰氧化合物/PMN-PT、铁氧体/PMN-PT、铁磁金属/PMN-PT、稀磁半导体/PMN-PT、发光材料/PMN-PT、二维材料/PMN-PT、多层薄膜/PMN-PT、超导薄膜/PMN-PT等多种类型的异质结,在理论研究和实验方面都取得了丰富的研究成果.本文对基于PMN-PT压电单晶的磁电复合薄膜材料的研究进展进行了总结:简要介绍了与功能薄膜/PMN-PT异质结相关的研究论文发表现状;介绍了PMN-PT单晶在准同型相界附近的相图和应变特性;按照功能薄膜材料所属的体系对异质结进行了分类,并选取部分代表性的研究成果,介绍了材料的磁电性能和内涵的物理机制;最后就目前有待解决的问题和未来可能的应用方向进行了总结和展望.     

Effect of diffusion and stresses on the magnetic properties of multilayer Fe/Pd and Fe/Ge films

Multilayer [Fe/Pd]₁₀ and [Fe/Ge]₁₀ films were studied using ferromagnetic resonance, magnetic-force and atomic-force microscopies, magneto-optical Kerr effect, and X-ray diffraction. It was shown that an increase in the interlayer thickness causes changes in magnetic parameters, such as the induced anisotropy, effective magnetization, coercive force, and the parameters of the fine magnetic structure. Reasons of the changes in the magnetic parameters were established.