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PRODUCTS CNTERNanOsc Instruments AB公司的高精度铁磁共振仪-FMR为磁动力学研究的新兴域提供了个简单的交钥匙解决方案。这款高精度铁磁共振测试仪可以进行2~40 GHZ频率范围的测量。在较宽的频率范围内测量,可以显著提高精确计算各种材料参数的能力,而静态测量技术无法获得这些参数。
宽频带铁磁共振(FMR)别适合研究磁性薄膜,它不仅是基础自旋电子学和磁学研究的基础,而且也是当前和未来磁存储、磁性传感器、逻辑和微波信号处理技术的组成部分。铁磁共振测试在高频磁学和自旋电子学有着重要的应用,例如硬盘的读取头,MRAM和自旋转矩振荡器等。
高精度铁磁共振仪-FMR主要征:
• 用户操作界面友好,使用简便易用
• 使用共面波导的宽频带铁磁共振
• 测试有效磁矩 (Meff), 各向异性参数(K), 旋磁比 (γ), 阻尼系数(α), 非均匀展宽(ΔH◦)
• 高精度铁磁共振可以测出1.4nm钴铁硼薄膜信号
• 可以选择扩展逆自旋霍尔测试
• 同时拥有扫场模式和扫频模式
软件用户使用非常友好,操作界面分为三个部分:
• 设置扫描参数
• 运行测试及实时观察
• 后期处理和参数提取
高精度铁磁共振仪-FMR设备型号
基于电磁铁平台的室温 PhaseFMR,样品可面外旋转 | 基于PPMS平台的低温CryoFMR,配有面内和面外测试共面波导 | 基于Montana的S50带磁体恒温器平台的低温 CryoFMR |
参数规格
型号 | PhaseFMR-8 | PhaseFMR | PhaseFMR-40 | CryoFMR-8 | CryoFMR | CryoFMR-40 |
频率范围 | 2-8 GHz | 2-18 GHz | 2-40 GHz | 2-8 GHz | 2-18 GHz | 2-40 GHz |
温度范围 | 室温 | 4-400 K: PPMS®/DynaCool™ 55-400 K: VersaLab™ 4–400 K: MPMS®3 10-350 K: MI Cryostation | ||||
磁场 | 取决于所配置的电磁铁磁场大小,要求电磁铁电源可以通过±10V模拟信号控制; 可配置用户自己的电磁铁或选购 | ±9, 14, 16 T: PPMS®/DynaCool™ ±3 T: VersaLab™ ±7 T: MPMS®3 ±0.7 T: MI Cryostation | ||||
*频率精度 0.05 GHz. 10 nm Ni80Fe20 @ 40 GHz时信噪比大于10 |
型号 | 频率范围 | 温度范围 | 磁场 |
PhaseFMR-8 | 2-8 GHz | 室温 | 取决于所配置的电磁铁磁场大小,要求电磁铁电源可以通过±10V模拟信号控制; 可配置用户自己的电磁铁或选购 |
PhaseFMR | 2-18 GHz | ||
PhaseFMR-40 | 2-40 GHz | ||
CryoFMR-8 | 2-8 GHz | 4-400 K: PPMS®/DynaCool™ 55-400 K: VersaLab™ 4–400 K: MPMS®3 10-350 K: MI Cryostation | ±9, 14, 16 T: PPMS®/DynaCool™ ±3 T: VersaLab™ ±7 T: MPMS®3 ±0.7 T: MI Cryostation |
CryoFMR | 2-18 GHz | ||
CryoFMR-40 | 2-40 GHz | ||
*频率精度 0.05 GHz. 10 nm Ni80Fe20 @ 40 GHz时信噪比大于10 |
应用案例
■ 退火后的薄膜性
Pd(8)/Cu(15)/Co(8)/Cu(8)/Ni80Fe20(4.5)/Cu(3)/Pd(3)(厚度以nm计)伪自旋阀多层膜叠层的共振磁场和线宽的频率依赖性如图1所示。薄膜叠层含有Co和Ni80Fe20两个铁磁层,只显示了Ni80Fe20层的共振磁场和线宽。本次研究进行了三次测量。第yi次是对原始薄膜叠层,它表现出高的饱和磁化强度和低的阻尼。然而,在随后的两个后退火过程(200°C持续12小时)之后,FMR测量显示饱和磁化强度轻微降低,阻尼显著增加。这些变化归因于热处理后Ni80Fe20薄膜内部的结构变化以及附近Cu层向Ni80Fe20的相互扩散。[1]
图1 伪自旋阀多层膜叠层的共振场和线宽的频率依赖性。原始薄膜(黑色符号和线条)显示出与随后退火的薄膜(红色和蓝色符号和线条)的明显变化。
参考文献
[1] A. Houshang, et al., “Effect of excitation fatigue on the synchronization of multiple nanocontact spin-torque oscillators", IEEE Magnetics Letters 5, 3000404 (2014)
■ 提取合金膜的饱和磁化强度Ms,阻尼系数α,以及交换劲度A
除了前面描述的所有自旋通过薄膜厚度同相进动的均匀FMR进动外,在薄膜样品中还可以激发额外的高阶自旋波模式。例如,图2(a)所示的垂直驻波自旋波(PSSW)模式可以被激发,并且可以很容易地使用高精度铁磁共振测试仪FMR在相对较厚的薄膜(>50nm)中测量。如图2(b)所示,可观察到两个共振,对应于FMR和PSSW模式。注意,对于固定频率,PSSW模式将出现在比FMR模式低的场中。如Yin等人所述,通过拟合PSSW模式的共振场,还可以测量交换劲度常数A。图2中所示的模型系统是100纳米厚的坡莫合金(Py)薄膜,由贵金属合金(更具体地说是Py100-xMx)合金制成,其中M=Pt、Au或Ag。图2(c)中所示的阻尼α、饱和磁化强度Ms和交换劲度A是贵金属浓度的函数。般来说,在Py中加入Pt、Au和Ag会增加阻尼,降低饱和磁化强度和交换刚度。更有趣的是,发现Ag的加入显著降低了MS和A,对α的影响很小。[2]
图2 (a) 磁性薄膜中FMR和PSSW模式的示意图。(b,插图)f=9GHz下的扫场谱,它清楚地显示了FMR和PSSW共振。(b,主图)提取了100nm厚Py85Pt15薄膜的FMR(蓝色)和PSSW(红色)模式的共振场的频率依赖性。(c) 阻尼α、饱和磁化强度Ms和交换劲度A的成分依赖性
参考文献
[2] Y. Yin, et al., “Tunable permalloy-based films for magnonics devices", Physical Review B 92, 024427 (2015).
■ 温度依懒性研究
在不同温度下测量FMR谱的能力对于物理和材料科学界也至关重要,因为饱和磁化强度、阻尼和非均匀展宽的温度依赖性提供了对基本动力学的进步了解。用于Quantum Design公司的综合物性测量系统(PPMS)或DynaCool的CryoFMR样品杆允许在4→400 K的温度范围内进行简单和自动化的测量。(注:VersaLab测量平台允许在55→400 K的范围内进行测量。)
图3(a)显示了系列测量谱,显示了100 nm厚的Py85Au15薄膜在宽温度范围内的FMR和PSSW模式。图3(a)的插图显示了FMR模式的提取线宽,用于将LabVIEW程序与PPMS、DynaCool、Versalab和MPMS3系统接口,计算两种不同温度下的磁阻尼。图3(b)显示了各种不同合金的自旋波劲度常数D(与交换劲度A相关的参数)的提取温度依赖性。图3(c)显示了三个铁磁薄膜样品的饱和磁化强度、阻尼和非均匀展宽的温度依赖性,在成分和沉积条件上只有微小的差异。有趣的是,对于三个样品中的细微差异,我们观察到了温度依赖性在数量和趋势上的显著差异。[3]
图3(a,主图)23-350 K温度下的共振谱。(a,插图)两种不同温度下FMR模式线宽的频率依赖性。(b) 各种坡莫基合金自旋波劲度的温度依赖性。(c) Western Digital的Susumu Okamura博士提供了三个铁磁薄膜样品的MS、α和ΔHo的温度依赖性。
参考文献
[3] Y. Yin, et al., “Ferromagnetic and spin-wave resonance on heavy metal doped permalloy films: temperature effects", IEEE Magnetics Letters 8, 3502604 (2017).
■ 逆自旋霍尔效应(ISHE)
如果我们考虑个铁磁/非磁双层膜(如Ni80Fe20/Pd)进行FMR,来自Ni80Fe20铁磁层的自旋扩散流将进入非磁性Pd层,这归因于已知的自旋泵浦现象[4]。然后通过逆自旋霍尔效应(ISHE)[5],自旋的扩散流将被转换为可测量的横向直流电压,这在具有大自旋轨道相互作用的非磁性层(如Pt、W、Pd等)中是显著的。图4(A)所示的殊CPW,用于测量ISHE产生电压(VISHE)的电触点,并连接到NanOsc FMR光谱仪上的单输入端。ISHE电压是用测量FMR响应的锁定放大器测量的。然而,对于ISHE测量,提供了两种不同的调制方案。可以(i)使用提供的亥姆霍兹线圈调制外部磁场,如测量FMR响应时所做的,或者(ii)使用内部继电器切断/脉冲VISHE。两种调制方案如图4(b)所示,用于Ni80Fe20/Pd双层。注意,场调制响应具有类似于导数的曲线形状,而脉冲调制信号与场调制信号相比表现出单峰值和提升的信噪比。
图4 (a) 用带有电触点的殊共面波导进行ISHE测量的实验设计。(b) 采用场调制(顶部)或脉冲调制(底部)检测方案,测量了Ni80Fe20/Pd双层膜在三种典型频率下的VISHE响应。
参考文献
[4] Y. Tserkovnyak, A. Brataas, G.E.W Bauer, “Enhanced Gilbert damping in thin ferromagnetic films", Physical Review Letters 88, 117601 (2002).
[5] J.E. Hirsch, “Spin Hall Effect", Physical Review Letters 83, 1834 (1999).
■ Nature Communications:纳米接触磁隧道结中自旋转移力矩驱动的高阶传播自旋波
早期的磁隧道结依靠磁场实现磁化翻转,这种方式往往功耗较高,随着工艺尺寸减小, 写入电流将急剧增大, 难以在纳米磁隧道结中推广应用。1996年, Slonczewski和Berger从理论上预测了种被称为自旋转移矩(Spin Transfer Torque, STT)的纯电学的磁隧道结写入方式,克服了传统磁场写入的缺点,并且写入电流的大小可随工艺尺寸的缩小而减小。2000年前后, 自旋转移矩在实验上被用于实现金属多层膜的磁化翻转[6]。基于此效应,种新型的微波振荡器被提出来,即自旋转移力矩纳米振荡器(STNO),用自旋化电流诱导纳米磁体磁矩翻转,从而实现了微波振荡。
STNO的典型结构采用个三明治结构“固定铁磁层FM/非磁性层NM/自由铁磁层FM"来实现,因为内部阻尼的作用,为了维持自振荡,需要106-108 A/cm2的大电流密度,这可以通过在三层膜上使用纳米触点对电流实现空间压缩来实现,这也是小型化磁振子器件中较有效的自旋波注入器。隧穿磁电阻(TMR)比巨磁阻(GMR)高个或多个数量,为了实现高效的电子自旋波读出,磁振子器件还必须基于磁隧道结(MTJ)。
图5 a.普通纳米触点振荡器结构;b.宽边帽纳米触点振荡器结构;
c.磁滞回线;d.磁电阻测试:内嵌图为自由层的铁磁共振频率和面内磁场关系。
(图片来源: Nature Communications (2018) 9:4374)
与顶部金属层相比,MTJ隧穿势垒的导电性相对较低,导致普通纳米触点的大横向电流分流(图5a)。为了使更多的电流通过MTJ,哥德堡大学物理系的J. Åkerman课题组[7]采用了宽边帽结构纳米触点,当MTJ覆盖层从纳米触点向外延伸时,帽状帽层逐渐变薄,并使用层1.5Ω·m2低阻面积(RA)产品的MgO进步促进隧穿势垒(图5b)。
图6 不同驱动电流下功率谱密度和磁场关系,
a Idc= −5 mA, b Idc =−6 mA, c Idc= −7 mA, d Idc = −8 mA, e Idc = −9 mA, and f Idc =−10 mA.
(图片来源: Nature Communications (2018) 9:4374)
所得到的器件表现出与纳米触点STNO相关的典型自旋波模式,在不同驱动电流下观测到两个二阶和三阶传播自旋波模态(如图6),这两种模式的波长估计分别为120和74纳米,比150纳米触点小得多。该研究表明这些高阶传播的自旋波将使磁振子器件能够在*的频率下工作,并大大增加它们的传输速率和自旋波传播长度。
参考文献
[6] 赵巍胜,王昭昊,彭守仲, 王乐知, 常亮, 张有光, STT-MRAM存储器的研究进展.中国科学: 物理学 力学 天文学 46, 107306 (2016 )
[7] Houshang, A. , J. Åkerman,et al. Nature Communication (2018) 9:4374
测试数据
■ 逆自旋霍尔效应(Inverse Spin Hall Effect)
HDC[T] | Field[Oe] | ISHE-CPW (4087-608*) for CryoFMR *Not included with CryoFMR Probe |
■ NiFeCu合金在不同磁场下,不同温度下的铁磁共振性
该数据的采集使用了Montana公司的恒温器
用户单位
清华大学物理系 | CryoFMR | |
清华大学材料学院 | CryoFMR-40 | |
中国科学院物理研究所 | PhaseFMR | |
中国科学院地球环境研究所 | PhaseFMR-40 | |
电子科技大学 | PhaseFMR-40 | |
哈尔滨工业大学 | CryoFMR | |
湖南大学 | CryoFMR | |
三峡大学 | CryoFMR | |
包头师范学院 | CryoFMR | |
哈尔滨工业大学深圳研究院 | CryoFMR-40 | |
南方科学技术大学 | CryoFMR | |
兰州大学 | CryoFMR | |
上海科技大学 | CryoFMR-40 | |
南京理工大学 | PhaseFMR |