一种fm/nm薄膜结构中逆自旋霍尔电压值的测量方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明属于自旋电子学研究以及相关自旋器件制造领域，具体涉及一种基于利用 终端短路的悬空微带传输线夹具测试FM/匪薄膜结构样品的自旋栗浦-逆自旋霍尔效应电 压的方法，采用将样品在微带线夹具中垂直翻转的方式，先后在膜面竖直向上以及膜面竖 直向下的位形时测量出样品两端电压，根据两种样品位形中自旋注入的方向相反的差别， 通过计算可精确获得测量电压中自旋整流分量以及逆自旋霍尔效应电压分量。
【背景技术】
[0002] 在自旋电子学中，自旋被作为信息存储和传输的载体，因此，产生、操纵以及探 测自旋流始终是实现自旋电子器件的最基本和最关键的科学问题。随着人们的广泛研 究，目前已经发展了多种产生自旋流的技术，如非局域电注入自旋流技术，基于铁磁共 振的自旋栗浦效应（SpinPumping)的自旋流注入技术，基于自旋塞贝克效应的自旋流 技术，采用圆偏振光注入自旋流技术。其中，铁磁共振自旋栗浦方法是将铁磁薄膜材料 (Ferromagnetic,FM)和非磁性薄膜材料（Nonmagnetic,NM)沉积在一起，铁磁材料在铁磁 共振时磁矩进动从而在非磁性金属内注入自旋流，由于逆自旋霍尔效应（InverseSpin HallEffect，ISHE)，即基于自旋轨道耦合作用，自旋相反的电子向垂直于自旋流的方向偏 转，自旋电子的定向移动形成电荷流，从而在非磁性金属材料内自旋流转化为电荷流，通过 检测样品两端电压则可以表征出自旋流的大小，从而为进一步研究材料结构的自旋注入效 率以及自旋扩散长度提供了依据和指导，这种通过自旋栗浦效应和逆自旋霍尔效应相结合 来产生自旋流以及检测自旋流的方法，已经成为当前自旋电子学的研究前沿和热点。
[0003] 此外，目前在FM/匪薄膜结构的磁性材料选取上，国内外学者研究较多的是NiFe， 这是由于NiFe在弱、中磁场下具有较高的磁导率和很低的矫顽力，表现出良好的软磁特 性，易于磁化和退磁。在非磁性金属材料方面，Ta、Pt、Pd等具有较强的自旋轨道耦合特性， 从而在有自旋注入时会产生较大的逆自旋霍尔电压。虽然至今已近开展了大量的研究，但 是目前在逆自旋霍尔电压的测量上仍然有一些困难，其原因是在FM/NM中，当FM层铁磁共 振时，会因磁矩进动向匪层产生自旋注入，由逆自旋霍尔效应在匪层中产生逆自旋霍尔电 压Vishe，同时FM薄膜内也存在自旋整流（SpinRectificationEffect，SRE)电压VSRE，所以 测量中所获得的电压为VISH#VSRE的叠加。理论研究表明，VISHE随外磁场变化呈现对称的 Lorentz线型，而VSRE的线型则包含了对称和反对称的Lorentz线型。有部分研究者在测试 时没有考虑考虑自旋整流的贡献，或是直接将测试得到的电压中的对称Lorentz分量归结 为VISHE的贡献，而将反对称分量归结为VSRE的贡献，从而导致得出不精确的VISHE。虽然旋转 外加磁场，即改变外加磁场Η与夹具所提供的微波磁场h的夹角ΦΗ，进而依据测得电压的 对称与反对称分量随ΦΗ变化的曲线，分尚出测试信号vISH[^VSRE对电压的贡南犬，得出较为 准确的VISHE，但由于该测试曲线的变化趋势较为复杂，为了使测试数据能够较好的吻合于 拟合公式，一般需要以10°为步长，旋转360°测量36次，因而测试步骤繁杂，测试结果的 可靠性依赖于拟合数据的数量。
【发明内容】
[0004] 为了克服【背景技术】中测量方法不精确及步骤繁杂的缺陷，本发明提供了一种精确 获得FM/匪薄膜结构中逆自旋霍尔电压值的测量方法，基于两种效应对自旋注入方向的依 赖性，利用终端短路的悬空微带传输线夹具测试FM/匪薄膜结构样品的自旋栗浦-逆自旋 霍尔效应电压的方法，采用将样品在微带线夹具中垂直翻转的方式，先后在膜面竖直向上 以及膜面竖直向下的位形时测量出样品两端电压，根据两种样品位形中自旋注入的方向相 反的差别，通过简单计算，便可精确获得测量电压中自旋整流分量以及逆自旋霍尔效应电 压分量，为精确计算自旋霍尔角提供了参考。
[0005] 本发明中，采用的薄膜材料为NiFe/Pt;在测试夹具方面，本发明采用的测试夹具 为一种终端短路的悬空微带传输线。如图1所示，在该微带测试夹具中，只需要将沉积有薄 膜的基片置于微带线夹具中，并在样品两端加载测试直流即可。采用该测试夹具，一方面， 相比于传统的需要制作绝缘层以及进行多次光刻工艺的微波传输线法，本发明使用的测试 夹具制备样品简单，直接在基片上沉积薄膜即可，不需要光刻；另一方面，相比于微波谐振 腔夹具的工作频率是固定的谐振频率，本发明的测试夹具可以在宽频范围内测试，考虑到 本实验的应用背景以及仪器和传输线的频率使用范围，所以采用的测试频率为1~10GHz。 薄膜尺寸沿着传输线方向可选取1mm~1〇_，出于方便实验的实施以及测试夹具尺寸的考 量，本发明采用5mm，在测试频率范围内仅为微波波长的1/60~1/6,可以近似认为薄膜受 到的微波磁场是均匀的。
[0006] 本发明基于磁场角度的理论，提出一种垂直翻转样品，通过改变FM与匪层在夹具 中的相对位置，从而只需测量两次，即可便捷准确地获取％^值大小。所基于的理论如下：
[0007] 对于在Si02基片上制备的单层膜NiFe样品，微波磁场|与外加静磁场吞夹角为 ΦΗ，由于NiFe为软磁体，矫顽力很低，使得在不同外加磁场方向时，磁矩#都能与与#保 持平行。可得自旋整流效应所产生的电压：
[0008] VSRE=AL·L+AD· D (1)
[0009] 式中，D和L分别是反对称与对称线型分量的系数，Ap AD分别为该电压中对称分 量与反对称分量的大小，可以表不为ΦΗ的函数：
[0010] Al=f!(Φη) (2)
[0011] Ad=f2(Φη) (3)
[0012] 而对于在同样尺寸的Si02基片上制备的双层膜Pt/NiFe样品，不仅要考虑NiFe 薄膜的自旋整流效应，还需要考虑由NiFe向Pt注入自旋波而产生的ISHE电压，可得出：
[0013] VISHE=ISHE·sin3φH·L (4)
[0014] 此电压值呈Lorentz对称线型，因此，在该样品中，测得电压为（1)式与ISHE两者 贡献之和，即：
[0015] Vtim-VS￡E+ViSHF=A^l + JD-D (5)
[0016] 上式中，修正后的双层膜样品的对称分量为
[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为旋磁比，e为电子电荷量，為为约化普朗克常量，为注入的 自旋流矢量，$为自旋流注入方向的单位矢量，Js为自旋流大小，可知自旋注入的方向决定 了ISHE电压的符号正负，说明自旋流的方向为垂直膜面的方向。所以样品Pt/NiFe的自旋 注入方向为-y方向，而样品NiFe/Pt的为+y方向。所以，可以设定（6)式为自旋流向+y 方向注入，即沿膜面法线竖直向上方向，同时，当自旋流向-y方向注入，即沿膜面法线竖直 向下方向时，则（6)式可修订为
[0021] A' L=AL-ISHE'sin3(ΦΗ) (8)
[0022] 此时，在（6)和⑶两式中，逆自旋霍尔电压分量ISHE均为正值。
[0023] 本发明关于NiFe/Pt薄膜测试方法的具体步骤如下：
[0024] (1)将NiFe/Pt/Si02样品置于微带线测试夹具中，启动测试平台，在ΦH为90°时 测试样品两端电压随外加静磁场变化的曲线；
[0025] (2)将NiFe/Pt/Si02样品垂直翻转180°后再置于微带线测试夹具中，此时，薄膜 表面向下，基底处于薄膜层的上方，基底与薄膜的界面以及NiFe与Pt的界面保持不变，同 时，在样品下方插入一片相同尺寸的Si02基片，保证薄膜与翻转前在夹具中所处的位置高 度相同，启动测试平台，测试样品两端电压随外加静磁场变化的曲线；
[0026] (3)样品翻转后，薄膜中的自旋注入反向，导致步骤⑴和⑵中的曲线呈现相反 的变化趋势，将两者相加，即可消去ISHE对电压的贡献值，得到两倍的SRE电压值；
[0027] (4)将样品垂直翻转之后的电压曲线减去翻转之前的，即步骤（2)中得到的曲线 减去步骤⑴的，则可以消去SRE对电压的贡献值，得到两倍的ISHE电压值，将相减后的曲 线除以2,峰值处的电压即为ISHE对电压的最大贡献值的两倍，将此电压再除以2,即可得 到逆自旋霍尔电压VISHE。
[0028] 特别地，NiFe/Pt薄膜的长宽范围为（5X1~10X10mm)，NiFe的厚度为（10~ 50nm)，Pt的厚度为（5~20nm)，Si02的长宽范围为（5X5~lOXIOmm)，3丨02的厚度为 (0· 2 ~0· 5mm)。
[0029] 本发明是基于自旋栗浦-逆自旋霍尔效应，测量在不同外加静磁场角度下，FM/匪 薄膜结构样品发生铁磁共振时的两端电压，进而分离出ISHE电压的测试方法。本测试方法 全面考虑了FM层自旋整流效应以及由自旋注入产生的ISHE，并且克服了传统测试方法繁 琐的步骤以及公式拟合所带来的偏差，仅需垂直翻转样品，在翻转之前与之后分别测试两 次，获得自旋流注入方向分别为竖直向下和竖直向上时的电压曲线，即可通过简单计算获 得ISHE电压。该方法简便快捷，并且充分考虑各种效应对电压所作的贡献，所得ISHE较为 精确，从而为进一步获得精确的自旋霍尔角等重要参数以及研发自旋电子学的相关器件提 供了参考。
【附图说明】
[0030] 图1为微带线夹具示意图，Η为外加静磁场，h为微波磁场，微波信号由SMA端口馈 入；
[0031]图2为薄膜面内微波磁场与静磁场示意图，Μ为NiFe薄膜的磁化强度，九和j2分 别为样品在微波激励下所产生的在X方向和z方向的微波电流密度；
[0032] 图3为测试平台示意图，由微波源、锁相放大器