一種fm/nm薄膜結構中逆自旋霍爾電壓值的測量方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明屬于自旋電子學研究以及相關自旋器件制造領域，具體涉及一種基于利用 終端短路的懸空微帶傳輸線夾具測試FM/匪薄膜結構樣品的自旋栗浦-逆自旋霍爾效應電 壓的方法，采用將樣品在微帶線夾具中垂直翻轉的方式，先后在膜面豎直向上以及膜面豎 直向下的位形時測量出樣品兩端電壓，根據兩種樣品位形中自旋注入的方向相反的差別， 通過計算可精確獲得測量電壓中自旋整流分量以及逆自旋霍爾效應電壓分量。
【背景技術】
[0002] 在自旋電子學中，自旋被作為信息存儲和傳輸的載體，因此，產生、操縱以及探 測自旋流始終是實現自旋電子器件的最基本和最關鍵的科學問題。隨著人們的廣泛研 究，目前已經發展了多種產生自旋流的技術，如非局域電注入自旋流技術，基于鐵磁共 振的自旋栗浦效應（SpinPumping)的自旋流注入技術，基于自旋塞貝克效應的自旋流 技術，采用圓偏振光注入自旋流技術。其中，鐵磁共振自旋栗浦方法是將鐵磁薄膜材料 (Ferromagnetic,FM)和非磁性薄膜材料（Nonmagnetic,NM)沉積在一起，鐵磁材料在鐵磁 共振時磁矩進動從而在非磁性金屬內注入自旋流，由于逆自旋霍爾效應（InverseSpin HallEffect，ISHE)，即基于自旋軌道耦合作用，自旋相反的電子向垂直于自旋流的方向偏 轉，自旋電子的定向移動形成電荷流，從而在非磁性金屬材料內自旋流轉化為電荷流，通過 檢測樣品兩端電壓則可以表征出自旋流的大小，從而為進一步研究材料結構的自旋注入效 率以及自旋擴散長度提供了依據和指導，這種通過自旋栗浦效應和逆自旋霍爾效應相結合 來產生自旋流以及檢測自旋流的方法，已經成為當前自旋電子學的研究前沿和熱點。
[0003] 此外，目前在FM/匪薄膜結構的磁性材料選取上，國內外學者研究較多的是NiFe， 這是由于NiFe在弱、中磁場下具有較高的磁導率和很低的矯頑力，表現出良好的軟磁特 性，易于磁化和退磁。在非磁性金屬材料方面，Ta、Pt、Pd等具有較強的自旋軌道耦合特性， 從而在有自旋注入時會產生較大的逆自旋霍爾電壓。雖然至今已近開展了大量的研究，但 是目前在逆自旋霍爾電壓的測量上仍然有一些困難，其原因是在FM/NM中，當FM層鐵磁共 振時，會因磁矩進動向匪層產生自旋注入，由逆自旋霍爾效應在匪層中產生逆自旋霍爾電 壓Vishe，同時FM薄膜內也存在自旋整流（SpinRectificationEffect，SRE)電壓VSRE，所以 測量中所獲得的電壓為VISH#VSRE的疊加。理論研究表明，VISHE隨外磁場變化呈現對稱的 Lorentz線型，而VSRE的線型則包含了對稱和反對稱的Lorentz線型。有部分研究者在測試 時沒有考慮考慮自旋整流的貢獻，或是直接將測試得到的電壓中的對稱Lorentz分量歸結 為VISHE的貢獻，而將反對稱分量歸結為VSRE的貢獻，從而導致得出不精確的VISHE。雖然旋轉 外加磁場，即改變外加磁場Η與夾具所提供的微波磁場h的夾角ΦΗ，進而依據測得電壓的 對稱與反對稱分量隨ΦΗ變化的曲線，分尚出測試信號vISH[^VSRE對電壓的貢南犬，得出較為 準確的VISHE，但由于該測試曲線的變化趨勢較為復雜，為了使測試數據能夠較好的吻合于 擬合公式，一般需要以10°為步長，旋轉360°測量36次，因而測試步驟繁雜，測試結果的 可靠性依賴于擬合數據的數量。
【發明內容】
[0004] 為了克服【背景技術】中測量方法不精確及步驟繁雜的缺陷，本發明提供了一種精確 獲得FM/匪薄膜結構中逆自旋霍爾電壓值的測量方法，基于兩種效應對自旋注入方向的依 賴性，利用終端短路的懸空微帶傳輸線夾具測試FM/匪薄膜結構樣品的自旋栗浦-逆自旋 霍爾效應電壓的方法，采用將樣品在微帶線夾具中垂直翻轉的方式，先后在膜面豎直向上 以及膜面豎直向下的位形時測量出樣品兩端電壓，根據兩種樣品位形中自旋注入的方向相 反的差別，通過簡單計算，便可精確獲得測量電壓中自旋整流分量以及逆自旋霍爾效應電 壓分量，為精確計算自旋霍爾角提供了參考。
[0005] 本發明中，采用的薄膜材料為NiFe/Pt;在測試夾具方面，本發明采用的測試夾具 為一種終端短路的懸空微帶傳輸線。如圖1所示，在該微帶測試夾具中，只需要將沉積有薄 膜的基片置于微帶線夾具中，并在樣品兩端加載測試直流即可。采用該測試夾具，一方面， 相比于傳統的需要制作絕緣層以及進行多次光刻工藝的微波傳輸線法，本發明使用的測試 夾具制備樣品簡單，直接在基片上沉積薄膜即可，不需要光刻；另一方面，相比于微波諧振 腔夾具的工作頻率是固定的諧振頻率，本發明的測試夾具可以在寬頻范圍內測試，考慮到 本實驗的應用背景以及儀器和傳輸線的頻率使用范圍，所以采用的測試頻率為1~10GHz。 薄膜尺寸沿著傳輸線方向可選取1mm~1〇_，出于方便實驗的實施以及測試夾具尺寸的考 量，本發明采用5mm，在測試頻率范圍內僅為微波波長的1/60~1/6,可以近似認為薄膜受 到的微波磁場是均勻的。
[0006] 本發明基于磁場角度的理論，提出一種垂直翻轉樣品，通過改變FM與匪層在夾具 中的相對位置，從而只需測量兩次，即可便捷準確地獲取％^值大小。所基于的理論如下：
[0007] 對于在Si02基片上制備的單層膜NiFe樣品，微波磁場|與外加靜磁場吞夾角為 ΦΗ，由于NiFe為軟磁體，矯頑力很低，使得在不同外加磁場方向時，磁矩#都能與與#保 持平行。可得自旋整流效應所產生的電壓：
[0008] VSRE=AL·L+AD· D (1)
[0009] 式中，D和L分別是反對稱與對稱線型分量的系數，Ap AD分別為該電壓中對稱分 量與反對稱分量的大小，可以表不為ΦΗ的函數：
[0010] Al=f!(Φη) (2)
[0011] Ad=f2(Φη) (3)
[0012] 而對于在同樣尺寸的Si02基片上制備的雙層膜Pt/NiFe樣品，不僅要考慮NiFe 薄膜的自旋整流效應，還需要考慮由NiFe向Pt注入自旋波而產生的ISHE電壓，可得出：
[0013] VISHE=ISHE·sin3φH·L (4)
[0014] 此電壓值呈Lorentz對稱線型，因此，在該樣品中，測得電壓為（1)式與ISHE兩者 貢獻之和，即：
[0015] Vtim-VS￡E+ViSHF=A^l + JD-D (5)
[0016] 上式中，修正后的雙層膜樣品的對稱分量為
[0017] A'L=Al+ISHE/sin3(ΦΗ) (6)
[0018] 另外值得注意的是，由公式
[0019]
[0020] 其中之=士 ·Λ，Y為旋磁比，e為電子電荷量，為為約化普朗克常量，為注入的 自旋流矢量，$為自旋流注入方向的單位矢量，Js為自旋流大小，可知自旋注入的方向決定 了ISHE電壓的符號正負，說明自旋流的方向為垂直膜面的方向。所以樣品Pt/NiFe的自旋 注入方向為-y方向，而樣品NiFe/Pt的為+y方向。所以，可以設定（6)式為自旋流向+y 方向注入，即沿膜面法線豎直向上方向，同時，當自旋流向-y方向注入，即沿膜面法線豎直 向下方向時，則（6)式可修訂為
[0021] A' L=AL-ISHE'sin3(ΦΗ) (8)
[0022] 此時，在（6)和⑶兩式中，逆自旋霍爾電壓分量ISHE均為正值。
[0023] 本發明關于NiFe/Pt薄膜測試方法的具體步驟如下：
[0024] (1)將NiFe/Pt/Si02樣品置于微帶線測試夾具中，啟動測試平臺，在ΦH為90°時 測試樣品兩端電壓隨外加靜磁場變化的曲線；
[0025] (2)將NiFe/Pt/Si02樣品垂直翻轉180°后再置于微帶線測試夾具中，此時，薄膜 表面向下，基底處于薄膜層的上方，基底與薄膜的界面以及NiFe與Pt的界面保持不變，同 時，在樣品下方插入一片相同尺寸的Si02基片，保證薄膜與翻轉前在夾具中所處的位置高 度相同，啟動測試平臺，測試樣品兩端電壓隨外加靜磁場變化的曲線；
[0026] (3)樣品翻轉后，薄膜中的自旋注入反向，導致步驟⑴和⑵中的曲線呈現相反 的變化趨勢，將兩者相加，即可消去ISHE對電壓的貢獻值，得到兩倍的SRE電壓值；
[0027] (4)將樣品垂直翻轉之后的電壓曲線減去翻轉之前的，即步驟（2)中得到的曲線 減去步驟⑴的，則可以消去SRE對電壓的貢獻值，得到兩倍的ISHE電壓值，將相減后的曲 線除以2,峰值處的電壓即為ISHE對電壓的最大貢獻值的兩倍，將此電壓再除以2,即可得 到逆自旋霍爾電壓VISHE。
[0028] 特別地，NiFe/Pt薄膜的長寬范圍為（5X1~10X10mm)，NiFe的厚度為（10~ 50nm)，Pt的厚度為（5~20nm)，Si02的長寬范圍為（5X5~lOXIOmm)，3丨02的厚度為 (0· 2 ~0· 5mm)。
[0029] 本發明是基于自旋栗浦-逆自旋霍爾效應，測量在不同外加靜磁場角度下，FM/匪 薄膜結構樣品發生鐵磁共振時的兩端電壓，進而分離出ISHE電壓的測試方法。本測試方法 全面考慮了FM層自旋整流效應以及由自旋注入產生的ISHE，并且克服了傳統測試方法繁 瑣的步驟以及公式擬合所帶來的偏差，僅需垂直翻轉樣品，在翻轉之前與之后分別測試兩 次，獲得自旋流注入方向分別為豎直向下和豎直向上時的電壓曲線，即可通過簡單計算獲 得ISHE電壓。該方法簡便快捷，并且充分考慮各種效應對電壓所作的貢獻，所得ISHE較為 精確，從而為進一步獲得精確的自旋霍爾角等重要參數以及研發自旋電子學的相關器件提 供了參考。
【附圖說明】
[0030] 圖1為微帶線夾具示意圖，Η為外加靜磁場，h為微波磁場，微波信號由SMA端口饋 入；
[0031]圖2為薄膜面內微波磁場與靜磁場示意圖，Μ為NiFe薄膜的磁化強度，九和j2分 別為樣品在微波激勵下所產生的在X方向和z方向的微波電流密度；
[0032] 圖3為測試平臺示意圖，由微波源、鎖相放大器