發(fā)布時(shí)間：2020-04-02 17:09

【摘要】：隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展和信息技術(shù)的進(jìn)步,傳統(tǒng)的微電子學(xué)器件已經(jīng)開(kāi)始接近其性能極限,如何進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)器件的微型化并回避熱效應(yīng)帶來(lái)的失效等問(wèn)題,是科研界與工業(yè)界面臨的新一輪挑戰(zhàn)。2010年,科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)通過(guò)磁性絕緣體釔鐵石榴石(Y3Fe5O12,簡(jiǎn)稱YIG)中的磁振子也可以實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的傳輸,這一現(xiàn)象引發(fā)了人們對(duì)絕緣體自旋電子學(xué)的研究熱潮。基于磁振子的新一代自旋電子學(xué)器件,有望實(shí)現(xiàn)無(wú)熱損耗的電路,進(jìn)而突破傳統(tǒng)電子器件的瓶頸。本論文研究對(duì)象是脈沖激光沉積法制備的納米厚度YIG薄膜,通過(guò)磁、電輸運(yùn)測(cè)試等手段,系統(tǒng)研究了 YIG與不同材料(包括重金屬、反鐵磁金屬、反鐵磁絕緣體等)所組成的多層膜結(jié)構(gòu)中的自旋相關(guān)輸運(yùn)行為,主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論如下:(1)研究了 YIG/Pt非局域結(jié)構(gòu)中的磁振子輸運(yùn)行為。通過(guò)電流正、反向測(cè)試的方法,分離出電激發(fā)和熱激發(fā)的磁振子輸運(yùn)信號(hào),即磁振子拖拽磁電阻和自旋塞貝克效應(yīng)引起的逆自旋霍爾電壓信號(hào)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,隨著電流增大,磁振子拖拽磁電阻所對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)對(duì)電流的依賴關(guān)系偏離線性行為。我們認(rèn)為,當(dāng)電流密度接近YIG的阻尼補(bǔ)償點(diǎn)時(shí),YIG中的磁矩將遠(yuǎn)離平衡態(tài),此時(shí)多種磁振子模式處于激發(fā)態(tài),不同磁振子模式間的非線性散射使磁矩系統(tǒng)弛豫至熱平衡態(tài),這一過(guò)程中,阻尼小的長(zhǎng)波磁振子更容易激發(fā),于是主導(dǎo)磁振子頻率從高頻向低頻轉(zhuǎn)變,導(dǎo)致了電激發(fā)磁振子輸運(yùn)電壓對(duì)電流的依賴偏離線性曲線。這一推論通過(guò)外場(chǎng)對(duì)非局域信號(hào)的抑制增強(qiáng)效果得到了驗(yàn)證。(2)對(duì)比研究了 YIG/Pt結(jié)構(gòu)中的局域和非局域自旋塞貝克效應(yīng)。通過(guò)在不同電流、外場(chǎng)、溫度下對(duì)這兩種效應(yīng)的定性與定量比較,我們發(fā)現(xiàn),雖然二者都是由電流產(chǎn)生的焦耳熱引起,但局域自旋塞貝克效應(yīng)由界面溫度梯度產(chǎn)生,并且受磁振子-聲子作用的影響;而非局域自旋塞貝克效應(yīng)由磁性材料層中的磁振子擴(kuò)散輸運(yùn)引起,主要由材料的體輸運(yùn)性質(zhì)決定,對(duì)界面依賴不強(qiáng),并且兩種自旋塞貝克效應(yīng)中主導(dǎo)的磁振子頻率有一定的區(qū)別。(3)研究了 YIG/IrMn非局域結(jié)構(gòu)中的磁振子拖拽磁電阻與自旋塞貝克效應(yīng)。同時(shí)用反鐵磁金屬作為磁振子的注入端與探測(cè)端,系統(tǒng)研究了非局域信號(hào)對(duì)電流、磁場(chǎng)、溝道距離等因素的依賴。利用IrMn探測(cè)端獲得了 YIG中磁振子擴(kuò)散長(zhǎng)度,其結(jié)果與使用Pt電極的情形類似。同時(shí),我們?cè)贗rMn中獲得了更大的電壓信號(hào),證實(shí)了反鐵磁金屬在非局域結(jié)構(gòu)中做電極的可行性。此外,我們還發(fā)現(xiàn)一維擴(kuò)散模型不適用于短距離的自旋塞貝克效應(yīng)。(4)研究了反鐵磁絕緣體Cr2O3對(duì)YIG/Pt結(jié)構(gòu)中自旋輸運(yùn)的影響。我們?cè)赮IG上制備出了非晶態(tài)的Cr2O3,通過(guò)電輸運(yùn)測(cè)試研究了 YIG/Cr2O3/Pt結(jié)構(gòu)中的自旋霍爾磁電阻、磁振子拖拽磁電阻和自旋塞貝克效應(yīng)的變化規(guī)律。結(jié)果表明,該結(jié)構(gòu)中自旋霍爾磁電阻效應(yīng)主要來(lái)源于Cr2O3/Pt界面處自旋的吸收與反射,與YIG中的磁矩?zé)o關(guān);磁振子拖拽磁電阻隨Cr2O3的插入迅速減小為零;自旋塞貝克效應(yīng)主要由YIG中受熱激發(fā)的磁振子產(chǎn)生,可通過(guò)Cr2O3層輸運(yùn)至探測(cè)端。我們的研究表明,即使沒(méi)有長(zhǎng)程有序磁矩,短程的磁極耦合也可以傳輸磁振子,并測(cè)得Cr2O3中磁振子擴(kuò)散長(zhǎng)度為1.6 nm。對(duì)比這三種效應(yīng)的變化,可以發(fā)現(xiàn)從Pt界面經(jīng)Cr2O3不能傳輸自旋信息到Y(jié)IG,但從YIG界面經(jīng)Cr2O3可以傳輸自旋信息到Pt,可見(jiàn)電激發(fā)磁振子與熱激發(fā)磁振子在界面處的自旋轉(zhuǎn)換效率并不相同。
【圖文】：

的量子看作聲子，研究者提出了另一種準(zhǔn)粒子－磁振子，來(lái)描述自旋波激發(fā)的逡逑量子［３２］。磁性絕緣體中的自旋流可以用自旋波或磁振子來(lái)描述。磁振子同聲逡逑子一樣，具有能量和波矢，如圖２－２所示，紅色箭頭代表進(jìn)動(dòng)的單個(gè)自旋，逡逑藍(lán)色箭頭表示磁振子的波長(zhǎng)。值得注意的是，與電導(dǎo)體中的電子不同，自旋逡逑導(dǎo)體中的磁振子是不守恒的，磁振子系統(tǒng)中的角動(dòng)量可以傳輸至聲子系統(tǒng)中。逡逑利用平均磁振子壽命Ｔ：ｍ，我們可以定義一個(gè)磁振子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的特征長(zhǎng)度逡逑來(lái)描述磁振子擴(kuò)散區(qū)運(yùn)動(dòng)，即磁振子攜帶信息丟失的長(zhǎng)度；逡逑類似于電子的平均自由程，也可以定義一個(gè)磁振子彈道運(yùn)動(dòng)的特征長(zhǎng)度逡逑入＝邋ＶｍＴｍ來(lái)描述磁振子彈道區(qū)運(yùn)動(dòng)，即磁振子發(fā)生碰撞前移動(dòng)的距離，逡逑其中和分別為磁振子的擴(kuò)散常數(shù)和群速度［３］。逡逑立體圖逡逑頂視圖逡逑ＧＱＱ００ＯＴ３逡逑圖２－２邋—維點(diǎn)陣中磁振子示意圖。逡逑自布洛赫提出這一概念以來(lái)，不論是就基礎(chǔ)研宄還是應(yīng)用領(lǐng)域而言，都逡逑－

｛ａ）邋＾ｒ邋ｔＡ逡逑，警，？，丨廣邐＾邋丨，．皆逡逑＾４＾％＾逡逑圖２－１邋（ａ）純電荷流（電流）；（ｂ）自旋極化電流；（ｃ）純自旋流．逡逑鐵磁或反鐵磁絕緣體中沒(méi)有電荷的流動(dòng)，但是其局域電子的角動(dòng)量可以逡逑通過(guò)偶極－偶極相互作用或者交換相互作用進(jìn)行傳輸，角動(dòng)量的傳輸即可以看逡逑成自旋流這種情況下的純自旋流我們稱之為自旋波。自旋波的概念是由逡逑布洛赫１９３０年提出的【３１］，可以看做是有序磁性材料中相互作用的自旋體系逡逑由于各種激發(fā)作用引起的集體運(yùn)動(dòng)。如同晶格點(diǎn)陣中將晶格振動(dòng)這一彈性波逡逑的量子看作聲子，研究者提出了另一種準(zhǔn)粒子－磁振子，來(lái)描述自旋波激發(fā)的逡逑量子［３２］。磁性絕緣體中的自旋流可以用自旋波或磁振子來(lái)描述。磁振子同聲逡逑子一樣，具有能量和波矢，，如圖２－２所示，紅色箭頭代表進(jìn)動(dòng)的單個(gè)自旋，逡逑藍(lán)色箭頭表示磁振子的波長(zhǎng)。值得注意的是，與電導(dǎo)體中的電子不同，自旋逡逑導(dǎo)體中的磁振子是不守恒的，磁振子系統(tǒng)中的角動(dòng)量可以傳輸至聲子系統(tǒng)中。逡逑利用平均磁振子壽命Ｔ：ｍ
【學(xué)位授予單位】：北京科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TB383.2;TN403

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2 成泰民;羅宏超;李林;;有限溫度下光頻支聲子-磁振子相互作用對(duì)磁振子壽命的影響[J];物理學(xué)報(bào);2008年10期

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5 成泰民;Q

本文編號(hào)：2612212