[重金属（Pt，W）/CoFeMnSi]_n多层循环薄膜磁各向异性及输运性能研究

作     者：刘宁 

作者单位：西安理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：游才印

授予年度：2024年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：自旋零带隙半导体薄膜 CoFeMnSi 磁性能 输运性能 

摘      要：垂直磁各向异性(PMA)薄膜具有好的热稳定性和高的存储密度等优点,极大的推动了磁存储器件的发展。利用界面效应诱导重金属/铁磁和重金属/铁磁/氧化物多层薄膜实现PMA成为了研究热点之一,其中理论上自旋极化率可达100%的自旋零带隙半导体(SGS)CoFeMnSi作为一种新型的铁磁材料引起了自旋电子学界的广泛关注。有研究表明Co基薄膜的磁各向异性与重金属层密切相关,目前具有较大自旋霍尔角的重金属主要有Pt和W等,前人研究了插入层Pt对CoFeMnSi多层循环薄膜磁各向异性的影响,而循环次数及重金属层材料对CoFeMnSi多层循环薄膜磁各向异性的影响还未曾研究。 本文选用自旋零带隙半导体CoFeMnSi为研究对象,采用磁控溅射技术在Si/SiO2衬底上生长不同重金属层的[Pt/CoFeMnSi]n/Pt和[W/CoFeMnSi]n/Pt薄膜,通过改变循环次数n(1≤n≤5)、铁磁层厚度tCoFeMnSi(1.3nm≤tCoFeMnsi≤2.7 nm)和退火温度Tann(300℃≤Tann≤400℃)以调控薄膜的磁性能。此外,在[W/CoFeMnSi]4/Pt薄膜的基础上插入MgO层,制备[W/CoFeMnSi/MgO]4/Pt薄膜,以优化薄膜的PMA并对其输运性能进行研究。该工作有助于开发基于自旋零带隙半导体CoFeMnSi多层循环薄膜的自旋电子器件,并为调控Pt/CoFeMnSi和W/CoFeMnSi多层膜的磁各向异性提供研究思路。本文获得的研究成果如下: 1.当[Pt/CoFeMnSi]n/Pt 薄膜的n=3 时,350℃退火态[Pt/CoFeMnSi(1.9 nm)]3/Pt 薄膜剩磁比Mr/Ms最大为0.93,此时饱和磁化强度Ms为1108.34 emu/cm3,并且所制备[Pt/CoFeMnSi]n/Pt均表现为面内磁各向异性(IMA)。 2.研究用W取代Pt制得的[W/CoFeMnSi]n/Pt薄膜发现,当循环次数n=4时,325℃退火态[W/CoFeMnSi(2.3 nm)]4/Pt薄膜的PMA最强,有效磁各向异性常数Keff为1.67×105 erg/cm3。将[Pt/CoFeMnSi]n/Pt薄膜与[W/CoFeMnSi]n/Pt薄膜对比发现,前者均表现为IMA,后者成功实现了 PMA,这归因于[Pt/CoFeMnSi]n/Pt薄膜中重金属自旋霍尔角符号相同,并且重金属W的自旋霍尔角较大,增强了自旋轨道力矩效应。对[W/CoFeMnSi(2.3 nm)]4/Pt薄膜反常霍尔效应(AHE)贡献最大的是边跳机制和内禀机制。 3.在[W/CoFeMnSi]4/Pt 薄膜的基础上,插入 MgO 层制备了[W/CoFeMnSi/MgO]4/Pt薄膜,以优化[W/CoFeMnSi]4/Pt薄膜 PMA。研究发现,350℃退火态[W/CoFeMnSi(2.1 nm)/MgO]4/Pt薄膜的PMA最强,Keff为2.28×105 erg/cm3,相较于未插入MgO层的[W/CoFeMnSi(2.3 nm)]4/Pt薄膜增强了 36%。其主要原因是350℃退火处理后的薄膜在CoFeMnSi和MgO界面处Co-O键和Fe-O键增多,使薄膜界面耦合作用增强,从而使薄膜的PMA增强。对[W/CoFeMnSi/MgO(2.1nm)]4/Pt薄膜AHE贡献最大的是斜散射机制中的声子散射。