一种调控磁性薄膜本征阻尼因子的方法

技术领域

本发明涉及微电子材料制备技术领域，更具体地，涉及基于利用外加电流调控磁性薄膜的本征阻尼因子。

背景技术

磁性薄膜的本征阻尼因子是磁子学器件中的一个重要物理参数，其决定了自旋驰豫时间和磁矩翻转速度。因此在自旋电子学器件的设计和制备中，必须考虑材料阻尼因子的大小，以设计满足性能指标的磁子学器件。例如在磁性随机存储器中，其工作时的临界翻转电流密度与自由层薄膜的本征阻尼因子成正比，而翻转时间和本征阻尼因子成反比，因此需要选取适当的本征阻尼因子，才能保证磁性随机存储器实现在较低的外加电流下正常工作，且响应时间满足性能要求。可见，实现稳定可控调节薄膜的本征阻尼因子十分重要。已有一些技术手段可以调控薄膜的本征阻尼因子大小，并可分为内禀调控和外部调控。改变磁性薄膜的厚度、更换磁性薄膜薄保护层、调整多层薄膜生长顺序等方法，可实现调控薄膜的本征阻尼因子，这些方法属于内禀调控。而对磁性薄膜施加外加激光或外部电场，也可调控磁性薄膜的本征阻尼因子，属于外部调控。

本申请人课题组提出过一种调控MRAM材料阻尼因子的方法(202010303659X)，通过磁控溅射方法生长材料结构Ta/CoFeB/MgO和MgO/CoFeB/Ta：利用时间分辨磁光克尔效应测量磁性材料的阻尼因子。本发明调控MRAM材料阻尼因子的方法由材料生长次序实现(见图1)。通过改变Ta/CoFeB/MgO材料体系的生长次序来改变该阻尼因子，CoFeB/MgO界面形成垂直各向异性，并且Ta/CoFeB界面形成的上下位置在飞秒激光照射时对进动的影响不同，进而改变阻尼因子。但飞秒激光照射控制比较不易，调控的对象也非更加性能可靠的NiFe合金磁性薄膜材料。

发明内容

本发明目的是，提出一种调控NiFe薄膜磁性本征阻尼因子的方法，即在NiFe薄膜中通入外部电流，其本征阻尼因子会出现200％的增强。

本发明技术方案是：一种调控磁性薄膜本征阻尼因子的方法，尤其是调控NiFe薄膜磁性本征阻尼因子的方法，使用电子束蒸发生长方法在(商用)Si基片上沉积出20±10nm厚的NiFe薄膜；尤其是生长出带状长条NiFe薄膜；如生长过程中采用宽度为500μm的掩膜版覆盖于Si基片上，以此得到宽度为500μm的带状长条，带状长条的长度为宽度的20-200倍。对于生长后的样品，在NiFe薄膜带状长条两端引出电极A和B，通过电极A和B向NiFe带状长条中注入电流。

所述的磁性金属材料为NiFe。

所述的NiFe带状长条中，NiFe带状长条的宽度为500μm，厚度为20nm。

所述的外加电流，具体到NiFe带状长条中，其电流密度为1×10

本发明为提高通入NiFe薄膜中的电流密度，使用掩膜版生长法将NiFe薄膜制备为500μm宽的带状条。当NiFe带状薄膜中的电流密度从0增加到3×10

有益效果，本发明基于NiFe带状长条结构。可实现通过A和B电极间的电流密度，控制改变NiFe薄膜的本征阻尼因子。控制调节方便和准确。

附图说明

图1为电流调控NiFe本征阻尼因子的具体实施示意图。

图2为不同外加电流密度下，NiFe薄膜时间分辨的磁光克尔系统测量得到的阻尼振荡曲线。

图3为不同外加电流密度下，由时间分辨的磁光克尔系统测量结果，计算得到的NiFe薄膜的本征阻尼因子。

具体实施方式

如图所示，一种调控磁性薄膜本征阻尼因子的方法，涉及利用电子束蒸发生长NiFe薄膜的生长方法。其中带状NiFe薄膜的宽度为500μm，厚度为20nm。通过对NiFe薄膜中通入电流，采用时间分辨的磁光克尔系统测量薄膜的本征阻尼因子。实现了外加电流稳定改变NiFe薄膜的本征阻尼因子；所述的磁性材料为NiFe。所述的带状NiFe薄膜宽度为500μm，厚度为20nm。

所述的时间分辨的磁光克尔系统测量薄膜的本征阻尼因子，实验测量是在室温下进行。

所述的时间分辨的磁光克尔系统测量方法，泵浦光流密度为2.1mJ/cm

使用Si基片来制备带状NiFe薄膜。Si衬底经过丙酮溶液超声清洗60秒后，再用蒸馏水冲洗后得到干净的Si衬底表面。然后将Si衬底放置于电子束蒸发腔体中，并在其表面覆盖宽度为500μm的掩膜版(能露出带状)，以直接生长带状NiFe薄膜。当腔体中真空度降低到2×10

NiFe带状薄膜中的电流密度从小增加到1×10

时间分辨的磁光克尔效应测量本征阻尼因子的理论基础：当泵浦脉冲光入射到样品表面时，温度迅速升高的热电子会将温度传递给自旋，导致超快退磁。与此同时，由于电子-声子散射，磁性薄膜的晶格温度也会同步升高，进而改变磁性薄膜的各向异性。因此，瞬态出现的有效退磁场

时间分辨的磁光克尔系统测量得到的阻尼振动曲线，通过LLG方程推导，可由正弦函数叠加指数衰减函数拟合，具体的表达式为：

图3中为不同电流密度下，其NiFe薄膜本征阻尼因子的变化图。当j<3×105A/cm2时，NiFe的本征阻尼因子α0随j的增大而减小，NiFe的本征阻尼因子下降了20％。而当电流密度从3×105A/cm2增加到6×105A/cm2时，其本征阻尼因子从0.010增加到0.024，相对增加了120％，显示了外加电流对NiFe薄膜本征阻尼因子良好的调控作用。