磁性薄膜的自旋动力学

《磁性薄膜的自旋动力学》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、磁性薄膜高频特性一、磁性薄膜发展简介薄膜科学在物理学和材料学科中已形成一门专门的分支学科。特别是半个世纪以来，电子学的发展需要新器件和新材料的突破，薄膜科学就是开发新材料和新器件非常重要的领域。电子器件的尺寸越来越小，40年代的真空管器件是几十厘米大小，60年代的器件是毫米大小，80年代的超大规模集成电路是微米大小，到2000年分子电子器件则已经达到纳米量级。这就要求我们研究亚微米、纳米薄膜的制备技术、测量技术，以及相应物性机理。所有固体材料都能制成薄膜材料，而薄膜是二维的，现在工业上所用的薄膜厚度从几十纳米到微米级，因此薄膜强度都很低，需要基片来支撑。薄膜和基片构成不可

2、分割的一体，且二者的物性也会相互发生影响。磁性材料从本世纪初就作为一种重要的功能材料在应用，近些年更是在信息电子学领域获得广泛应用，并深刻的促进了计算机工业和通讯工业的发展。磁性薄膜材料是一种重要的电子信息材料，也是大块磁性材料的低维化形式，但性能比大块材料具有更加丰富的内容。除去二维化后退磁效应影响外，磁性薄膜材料不同于大块材料的铁磁耦合效应、反铁磁耦合效应、隧穿效应以及各种独特的自旋动力学特性为磁性薄膜带来了更加广阔的应用空间。上世纪八十年代法国科学家费尔和德国科学家格林贝格尔更是因为在多层磁性薄膜中发现巨磁阻效应而获得了2007年的诺贝尔奖。近些年，随着电子元器件向

3、微型化、薄膜化、高频化、集成化方向发展，对微波高频段下高磁导率磁性薄膜提出了明确的要求。目前研究的片式电感器、薄膜变压器、薄膜磁头等的工作频率已经进入MHz频段，甚至GHz频段，工作频率为数百MHz-GHz频段的高可靠、低成本薄膜滤波器也在蓬勃进行当中。磁性薄膜的高频电磁波特性本质上是薄膜自旋磁矩和电磁波之间的相互作用，因此研究薄膜在高频下的自旋动力学可以为磁性薄膜制备和应用提供理论指导。二、薄膜制备技术按目前的分类，薄膜制备方法包括：物理气相沉积、化学气相沉积、金属有机物化学沉积和辉光放电沉积等。具体如下：1、真空蒸发沉积这是目前应用最普遍的方法之一。蒸发是在真空室中进

4、行，如蒸发熔点较低的金属或者合金，采用电加热的方法，在一定真空度下，用钨丝或者钽舟直接通电，被加热蒸发物挂在钨丝上或放在钽舟内，慢慢加电流直到蒸发物被蒸发完毕为止，被蒸发物质慢慢沉积在基片上形成薄膜，厚度由蒸发时间来控制。如蒸发熔点高的金属或者合金，则必须采用电子束蒸发方法，此时要求更高的真空度到10E-7—10E-9Torr，蒸发物放在专用槽内通电加热，且需要对基片进行加热以满足不同薄膜的制备需求。2、分子束外延法这种方法是在超高真空（10E-10—10E-11Torr）条件下把把分子束射入被加热基片上进行外延生长。在高真空条件下，残留气体杂质很少，可保持表面清洁；生长

5、速率很慢，薄膜呈层状生长，可以得到表面缺陷极少的薄膜；可严格控制组分浓度和杂质浓度，因此可制出急剧变化杂质浓度和组分的器件；可用反射式高能电子衍射（RHEED）原位观察薄膜晶体生长状况。这种方法可以制备出品质极佳的单晶薄膜。3、磁控溅射方法这种方法应用非常普遍，其原理是将被溅射物质制成靶材，作为阴极，基片作为阳极，共同放在真空室。溅射时阴极通负高压，阳极接地，然后通入低浓度氩气作为工作气体，氩气被电离为氩离子并在磁场洛伦茨力作用下加速，使更多的氩气被电离，同时氩离子轰击靶面，打出原子、离子、高能离子，靶的原子沉积在基片上形成薄膜。磁控溅射方法由于使用磁控靶枪对氩离子加速，

6、因此从靶材上溢出的原子有更大的初速度，形成的薄膜和基片有较好的结合力，同时这种方法制备薄膜速率也很快。通过对设备进行不同配置，可以利用溅射方法制备氧化物膜、多层膜、颗粒膜以及超晶格等复杂薄膜结构。本实验我们就是采取磁控溅射的方法来制备薄膜。4、脉冲激光沉积法这种制备工艺操作简单，制备薄膜周期短。一束激光通过窗口进入真空室作用在靶材上，通过聚焦获得1-10焦耳/平方厘米的能量密度，从靶面上蒸发出来的材料在真空室中形成高温等离子羽辉。羽辉是由分子、中性原子和离子组成。激光沉积法的特点是：沉积过程中，无论入射光束角度如何变化，形成羽辉均垂直于靶面；射出物动能比电蒸发大一个数量级

7、；脉冲作用在靶面的时间很短，一般为几十个纳秒，靶材表面瞬间温升可达到上万度，因此靶材内各种成分可以瞬间蒸发，这一点特别有利于像高温超导材料这样多组分化合物薄膜的制备。三、磁性薄膜的动力学特性HeffM铁磁材料的磁化强度（单位体积内的磁矩）在外部有效场（包括外加恒磁场、外加交变磁场、面退磁场、体退磁场、各向异性等效场、交换作用等效场）的作用下，其运动方程为（1）其中g为铁磁材料的旋磁比。从方程（1）可知，铁磁体的磁化强度在有效磁场的作用下，将围绕做无衰减的右旋进动，如图所示。通过求解（1）式可以得到无阻尼进动情况下，磁矩在外场作