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產(chǎn)品熱度：加載中

品　　牌：NanOsc Instruments AB

產(chǎn)品型號(hào)：FMR

適用范圍：高教

所在地區(qū)：瑞典

高精度鐵磁共振儀（FMR）

　　NanOsc Instruments AB公司的高精度鐵磁共振測(cè)試儀為磁動(dòng)力學(xué)研究的新興領(lǐng)域提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的交鑰匙解決方案。這款高精度鐵磁共振測(cè)試儀可以進(jìn)行2~40 GHZ頻率范圍的測(cè)量。在較寬的頻率范圍內(nèi)測(cè)量，可以顯著提高計(jì)算各種材料參數(shù)的能力，而靜態(tài)測(cè)量技術(shù)無法獲得這些參數(shù)。

　　寬頻帶鐵磁共振（FMR）特別適合研究磁性薄膜，它不僅是基礎(chǔ)自旋電子學(xué)和磁學(xué)研究的基礎(chǔ)，而且也是當(dāng)前和未來磁存儲(chǔ)、磁性傳感器、邏輯和微波信號(hào)處理技術(shù)的組成部分。鐵磁共振測(cè)試在高頻磁學(xué)和自旋電子學(xué)有著重要的應(yīng)用，例如硬盤的讀取頭，MRAM和自旋轉(zhuǎn)矩振蕩器等。

主要特征:

　　+  用戶操作界面友好，使用簡(jiǎn)便易用

　　+  使用共面波導(dǎo)的寬頻帶鐵磁共振

　　+  測(cè)試有效磁矩 (Meff), 各向異性參數(shù)(K), 旋磁比 (γ), 阻尼系數(shù)(α), 非均勻展寬(ΔH?)

　　+  高精度鐵磁共振可以測(cè)出1.4nm鈷鐵硼薄膜信號(hào)

　　+  可以選擇擴(kuò)展逆自旋霍爾測(cè)試

　　+  同時(shí)擁有掃場(chǎng)模式和掃頻模式

軟件用戶使用非常友好，操作界面分為三個(gè)部分：

　　+  設(shè)置掃描參數(shù)

　　+  運(yùn)行測(cè)試及實(shí)時(shí)觀察

　　+  后期處理和參數(shù)提取

設(shè)備型號(hào)

特征參數(shù)

CryoFMR樣品桿用于 PPMS^?/ DynaCool^?/ VersaLab^?

測(cè)試數(shù)據(jù)展示

■  逆自旋霍爾效應(yīng)(Inverse Spin Hall Effect)

■  NiFeCu合金在不同磁場(chǎng)下，不同溫度下的鐵磁共振特性

該數(shù)據(jù)的采集使用了Montana公司的恒溫器

部分應(yīng)用案例

■  退火后的薄膜特性

　　Pd(8)/Cu(15)/Co(8)/Cu(8)/Ni₈₀Fe₂₀(4.5)/Cu(3)/Pd(3)（厚度以nm計(jì)）偽自旋閥多層膜疊層的共振磁場(chǎng)和線寬的頻率依賴性如圖1所示。薄膜疊層含有Co和Ni₈₀Fe₂₀兩個(gè)鐵磁層，只顯示了Ni₈₀Fe₂₀層的共振磁場(chǎng)和線寬。本次研究進(jìn)行了三次測(cè)量。次是對(duì)原始薄膜疊層，它表現(xiàn)出高的飽和磁化強(qiáng)度和低的阻尼。然而，在隨后的兩個(gè)后退火過程（200°C持續(xù)12小時(shí)）之后，F(xiàn)MR測(cè)量顯示飽和磁化強(qiáng)度輕微降低，阻尼顯著增加。這些變化歸因于熱處理后Ni₈₀Fe₂₀薄膜內(nèi)部的結(jié)構(gòu)變化以及附近Cu層向Ni₈₀Fe₂₀的相互擴(kuò)散。^[1]

圖1  偽自旋閥多層膜疊層的共振場(chǎng)和線寬的頻率依賴性。原始薄膜（黑色符號(hào)和線條）顯示出與隨后退火的薄膜（紅色和藍(lán)色符號(hào)和線條）的明顯變化。

參考文獻(xiàn)

[1] A. Houshang, et al., “Effect of excitation fatigue on the synchronization of multiple nanocontact spin-torque oscillators”, IEEE Magnetics Letters 5, 3000404 (2014)

■  提取合金膜的飽和磁化強(qiáng)度Ms，阻尼系數(shù)α，以及交換勁度A

　　除了前面描述的所有自旋通過薄膜厚度同相進(jìn)動(dòng)的均勻FMR進(jìn)動(dòng)外，在薄膜樣品中還可以激發(fā)額外的高階自旋波模式。例如，圖2（a）所示的垂直駐波自旋波（PSSW）模式可以被激發(fā)，并且可以很容易地使用高精度鐵磁共振測(cè)試儀FMR在相對(duì)較厚的薄膜（>50nm）中測(cè)量。如圖2（b）所示，可觀察到兩個(gè)共振，對(duì)應(yīng)于FMR和PSSW模式。注意，對(duì)于固定頻率，PSSW模式將出現(xiàn)在比FMR模式低的場(chǎng)中。如Yin等人所述，通過擬合PSSW模式的共振場(chǎng)，還可以測(cè)量交換勁度常數(shù)A。圖2中所示的模型系統(tǒng)是100納米厚的坡莫合金（Py）薄膜，由貴金屬合金（更具體地說是Py_100-xM_x）合金制成，其中M=Pt、Au或Ag。圖2（c）中所示的阻尼α、飽和磁化強(qiáng)度Ms和交換勁度A是貴金屬濃度的函數(shù)。一般來說，在Py中加入Pt、Au和Ag會(huì)增加阻尼，降低飽和磁化強(qiáng)度和交換剛度。有趣的是，發(fā)現(xiàn)Ag的加入顯著降低了MS和A，對(duì)α的影響很小。^[2]

圖2 （a） 磁性薄膜中FMR和PSSW模式的示意圖。（b，插圖）f=9GHz下的掃場(chǎng)譜，它清楚地顯示了FMR和PSSW共振。（b，主圖）提取了100nm厚Py₈₅Pt₁₅薄膜的FMR（藍(lán)色）和PSSW（紅色）模式的共振場(chǎng)的頻率依賴性。（c） 阻尼α、飽和磁化強(qiáng)度Ms和交換勁度A的成分依賴性

參考文獻(xiàn)

[2] Y. Yin, et al., “Tunable permalloy-based films for magnonics devices”, Physical Review B 92, 024427 (2015).

■  溫度依懶性研究

　　在不同溫度下測(cè)量FMR譜的能力對(duì)于物理和材料科學(xué)界也至關(guān)重要，因?yàn)轱柡痛呕瘡?qiáng)度、阻尼和非均勻展寬的溫度依賴性提供了對(duì)基本動(dòng)力學(xué)的進(jìn)一步了解。用于Quantum Design公司的綜合物性測(cè)量系統(tǒng)（PPMS）或DynaCool的CryoFMR樣品桿允許在4→400 K的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行簡(jiǎn)單和自動(dòng)化的測(cè)量。（注：VersaLab測(cè)量平臺(tái)允許在55→400 K的范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)量。）

　　圖3(a)顯示了一系列測(cè)量譜，顯示了100 nm厚的Py85Au15薄膜在寬溫度范圍內(nèi)的FMR和PSSW模式。圖3(a)的插圖顯示了FMR模式的提取線寬，用于將LabVIEW程序與PPMS、DynaCool、Versalab和MPMS3系統(tǒng)接口，計(jì)算兩種不同溫度下的磁阻尼。圖3(b)顯示了各種不同合金的自旋波勁度常數(shù)D（與交換勁度A相關(guān)的參數(shù)）的提取溫度依賴性。圖3(c)顯示了三個(gè)鐵磁薄膜樣品的飽和磁化強(qiáng)度、阻尼和非均勻展寬的溫度依賴性，在成分和沉積條件上只有微小的差異。有趣的是，對(duì)于三個(gè)樣品中的細(xì)微差異，我們觀察到了溫度依賴性在數(shù)量和趨勢(shì)上的顯著差異。^[3]

圖3（a，主圖）23-350 K溫度下的共振譜。（a，插圖）兩種不同溫度下FMR模式線寬的頻率依賴性。（b） 各種坡莫基合金自旋波勁度的溫度依賴性。（c） Western Digital的Susumu Okamura博士提供了三個(gè)鐵磁薄膜樣品的MS、α和ΔHo的溫度依賴性。

參考文獻(xiàn)

[3] Y. Yin, et al., “Ferromagnetic and spin-wave resonance on heavy metal doped permalloy films: temperature effects”, IEEE Magnetics Letters 8, 3502604 (2017).

■  逆自旋霍爾效應(yīng)(ISHE)

　　如果我們考慮一個(gè)鐵磁/非磁雙層膜（如Ni80Fe₂₀/Pd）進(jìn)行FMR，來自Ni₈₀Fe₂₀鐵磁層的自旋擴(kuò)散流將進(jìn)入非磁性Pd層，這歸因于已知的自旋泵浦現(xiàn)象^[4]。然后通過逆自旋霍爾效應(yīng)（ISHE）^[5]，自旋的擴(kuò)散流將被轉(zhuǎn)換為可測(cè)量的橫向直流電壓，這在具有大自旋軌道相互作用的非磁性層（如Pt、W、Pd等）中是顯著的。圖4(A)所示的特殊CPW，用于測(cè)量ISHE產(chǎn)生電壓（VISHE）的電觸點(diǎn)，并連接到NanOsc FMR光譜儀上的單輸入端。ISHE電壓是用測(cè)量FMR響應(yīng)的鎖定放大器測(cè)量的。然而，對(duì)于ISHE測(cè)量，提供了兩種不同的調(diào)制方案?？梢裕╥）使用提供的亥姆霍茲線圈調(diào)制外部磁場(chǎng)，如測(cè)量FMR響應(yīng)時(shí)所做的，或者（ii）使用內(nèi)部繼電器切斷/脈沖VISHE。兩種調(diào)制方案如圖4(b)所示，用于Ni₈₀Fe₂₀/Pd雙層。注意，場(chǎng)調(diào)制響應(yīng)具有類似于導(dǎo)數(shù)的曲線形狀，而脈沖調(diào)制信號(hào)與場(chǎng)調(diào)制信號(hào)相比表現(xiàn)出單峰值和提升的信噪比。

圖4 （a） 利用帶有電觸點(diǎn)的特殊共面波導(dǎo)進(jìn)行ISHE測(cè)量的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。（b） 采用場(chǎng)調(diào)制（頂部）或脈沖調(diào)制（底部）檢測(cè)方案，測(cè)量了Ni₈₀Fe₂₀/Pd雙層膜在三種典型頻率下的VISHE響應(yīng)。

參考文獻(xiàn)

[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：納米接觸磁隧道結(jié)中自旋轉(zhuǎn)移力矩驅(qū)動(dòng)的高階傳播自旋波

　　早期的磁隧道結(jié)依靠磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)磁化翻轉(zhuǎn)，這種方式往往功耗較高，隨著工藝尺寸減小, 寫入電流將急劇增大, 難以在納米磁隧道結(jié)中推廣應(yīng)用。1996年, Slonczewski和Berger從理論上預(yù)測(cè)了一種被稱為自旋轉(zhuǎn)移矩（Spin Transfer Torque, STT）的純電學(xué)的磁隧道結(jié)寫入方式，克服了傳統(tǒng)磁場(chǎng)寫入的缺點(diǎn)，并且寫入電流的大小可隨工藝尺寸的縮小而減小。2000年前后, 自旋轉(zhuǎn)移矩在實(shí)驗(yàn)上被用于實(shí)現(xiàn)金屬多層膜的磁化翻轉(zhuǎn)^[6]?；诖诵?yīng)，一種新型的微波振蕩器被提出來，即自旋轉(zhuǎn)移力矩納米振蕩器（STNO），利用自旋化電流誘導(dǎo)納米磁體磁矩翻轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了微波振蕩。

　　STNO的典型結(jié)構(gòu)采用一個(gè)三明治結(jié)構(gòu)“固定鐵磁層FM/非磁性層NM/自由鐵磁層FM”來實(shí)現(xiàn)，因?yàn)閮?nèi)部阻尼的作用，為了維持自振蕩，需要10⁶-10⁸A/cm²的大電流密度，這可以通過在三層膜上使用納米觸點(diǎn)對(duì)電流實(shí)現(xiàn)空間壓縮來實(shí)現(xiàn)，這也是小型化磁振子器件中有效的自旋波注入器。隧穿磁電阻(TMR)比巨磁阻(GMR)高一個(gè)或多個(gè)數(shù)量，為了實(shí)現(xiàn)的電子自旋波讀出，磁振子器件還必須基于磁隧道結(jié)(MTJ)。

圖5  a.普通納米觸點(diǎn)振蕩器結(jié)構(gòu)；b.寬邊帽納米觸點(diǎn)振蕩器結(jié)構(gòu)；

c.磁滯回線；d.磁電阻測(cè)試：內(nèi)嵌圖為自由層的鐵磁共振頻率和面內(nèi)磁場(chǎng)關(guān)系。

（圖片來源： Nature Communications (2018) 9:4374）

　　與頂部金屬層相比，MTJ隧穿勢(shì)壘的導(dǎo)電性相對(duì)較低，導(dǎo)致普通納米觸點(diǎn)的大橫向電流分流（圖5a）。為了使更多的電流通過MTJ，哥德堡大學(xué)物理系的J. ?kerman課題組^[7]采用了寬邊帽結(jié)構(gòu)納米觸點(diǎn)，當(dāng)MTJ覆蓋層從納米觸點(diǎn)向外延伸時(shí)，帽狀帽層逐漸變薄，并使用一層1.5Ω·m2低阻面積(RA)產(chǎn)品的MgO進(jìn)一步促進(jìn)隧穿勢(shì)壘(圖5b)。

圖6  不同驅(qū)動(dòng)電流下功率譜密度和磁場(chǎng)關(guān)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.

（圖片來源： Nature Communications (2018) 9:4374）

　　所得到的器件表現(xiàn)出與納米觸點(diǎn)STNO相關(guān)的典型自旋波模式，在不同驅(qū)動(dòng)電流下觀測(cè)到兩個(gè)二階和三階傳播自旋波模態(tài)（如圖6），這兩種模式的波長(zhǎng)估計(jì)分別為120和74納米，比150納米觸點(diǎn)小得多。該研究表明這些高階傳播的自旋波將使磁振子器件能夠在高的頻率下工作，并大大增加它們的傳輸速率和自旋波傳播長(zhǎng)度。

參考文獻(xiàn)

[6] 趙巍勝,王昭昊,彭守仲, 王樂知, 常亮, 張有光, STT-MRAM存儲(chǔ)器的研究進(jìn)展.中國(guó)科學(xué): 物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué) 46, 107306 (2016 )

[7] Houshang, A. , J. ?kerman,et al. Nature Communication (2018) 9:4374

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