薄膜宽度对于NiFe/Ta逆自旋霍尔效应影响的自动表征

通过分立模板镀膜法在同一块光刻版上设计了不同宽度的NiFe/Ta双层膜线条,采用磁控溅射镀膜制备样品。构建了自动化电测试系统实现批量测试样品的逆自旋霍尔电压信号。实验结果表明,样品宽度会影响测试电压信号的对称性和幅值,通过拟合得到信号的对称分量和反对称分量及其比值随着样品宽度的变化,并分析逆自旋霍尔电压和自旋整流电压的影响因素,发现随着样品宽度的减小,自旋整流效应带来的影响逐渐减小,且施加的微波磁场越大,这种变化越明显,其原因在于各向异性磁电阻对薄膜宽度的依赖性。研究结果对自旋电子器件的实用提供重要的设计依据和指导。

非共线横向自旋阀结构逆自旋霍尔效应

逆自旋霍尔效应是测量材料自旋输运参数(比如自旋霍尔角、自旋扩散长度等)的重要手段。目前关于逆自旋霍尔效应的实验研究比较多,但理论计算相对缺乏。发展高效精准的计算方法十分重要。本文计算了横向自旋阀结构中,逆自旋霍尔信号随磁铁非共线角度的变化关系。我们的计算针对目前最具前景的常规合金Cu Bi和Cu Ir展开。结果表明Cu Bi的逆自旋霍尔信号最强。对计算的一些困难(比如接触电阻的确定等)也做了讨论。结果对深入理解自旋输运具有一定价值。

NiFe/Pt薄膜中角度相关的逆自旋霍尔效应

NiFe/Pt双层薄膜样品在铁磁共振时,NiFe磁矩进动所产生的自旋流注入到Pt层中,由于逆自旋霍尔效应产生直流电压VISHE,此电压会叠加到NiFe薄膜由于自旋整流效应而产生的电压VSRE上,实验测量所得电压为VISHE和VSRE的叠加.为了区分这两种不同机理对电压的贡献,本文采取旋转外加静磁场的方法,通过分析所测电压随磁场角度的变化从而分离出VISHE的大小.研究结果表明,相比于单层NiFe(20nm)薄膜样品,NiFe(20nm)/Pt(10nm)双层膜样品中由于NiFe自旋注入到Pt中导致铁磁共振线宽增加.与逆自旋霍尔效应产生的电压相比,自旋整流效应的贡献较小,但不可忽略.本文工作有助于认清铁磁/非磁性金属材料中的自旋相关效应,并提供了一种准确的分析逆自旋霍尔效应的方法.

掺铌SrTiO_3中的逆自旋霍尔效应

采用磁控溅射法在未掺杂和掺杂的SrTiO_3基片上沉积了NiFe薄膜,通过翻转测试法分离出掺杂样品中的自旋整流电压和逆自旋霍尔电压.研究结果表明:在未掺杂的SrTiO_3基片中,翻转前后测试的电压曲线基本一致,为NiFe薄膜自旋整流效应产生的电压.对于掺Nb浓度x为0.028, 0.05, 0.1, 0.15, 0.2的SrTiO_3基片,分离出的逆自旋霍尔电压随掺杂浓度增加而减小,在掺杂浓度为0.15和0.2的样品中没有探测到明显的逆自旋霍尔电压.本文的结果表明,在SrTiO_3中掺入强自旋轨道耦合的杂质,通过掺杂浓度可以实现对SrTiO_3中逆自旋霍尔效应的调控,这类可调控的自旋相关研究为自旋电子器件的研究和开发提供了更多的可能性,具有很大的潜在应用价值.

导电氧化铋薄膜的逆自旋霍尔效应

自旋霍尔效应及其逆效应作为自旋电子学中实现自旋-电荷转换的核心物理效应,对纯自旋流的产生、探测有着重要的应用价值,是自旋电子器件开发与应用的关键技术节点。对高自旋-电荷转换效率材料体系的探索与开发是该领域的核心课题。以导电氧化铋薄膜为对象,研究其中的逆自旋霍尔效应。采用交流磁控溅射系统,使用氧化铋陶瓷靶制备了不同厚度的导电氧化铋薄膜,并与坡莫合金薄膜构成铁磁/非磁双层自旋泵浦器件,在该器件中首次观测并确认了导电氧化铋薄膜中逆自旋霍尔效应所对应的电压信号。通过逆自旋霍尔电压对氧化铋薄膜厚度的依存关系,定量地估算了氧化铋薄膜的自旋霍尔角及自旋扩散长度。通过提出一种新的具备可观测逆自旋霍尔效应的材料体系,不仅拓展了自旋电子材料的选择空间,也为新型自旋电子器件的设计和应用提供了思路。

金属薄膜中的逆自旋霍尔效应

自旋流的产生和测量是自旋电子学面临的重大挑战.逆自旋霍尔效应提供了对自旋流进行电学测量的有效手段.文章总结了近年来人们对金属薄膜中的逆自旋霍尔效应的研究,从非局域电注入、铁磁共振注入、声波共振注入和圆偏振光注入这四种不同的自旋流注入方式来介绍逆自旋霍尔效应的物理机制、实现方式和影响因素.

贵金属/半导体异质结中的光致自旋电流效应研究

自旋电子材料因能同时对电子的自旋和电荷两个自由度实施操控,在构筑以低功耗、超高速、大容量和超宽带为特征的新一代信息处理技术中展现出巨大的应用潜力.然而,通过掺杂过渡金属元素和稀土离子而形成的传统稀磁半导体和钙钛矿锰氧化物往往因结构缺陷导致的居里温度不高、自旋磁矩和自旋极化率偏低等不足,阻碍了自旋电子材料的商业化应用.近年来,在高纯半导体上沉积贵金属薄膜所形成的贵金属/半导体异质结中,通过使用偏振光激发该类异质结可产生纯自旋电流.这种基于逆自旋霍尔效应(ISHE)、可在室温下运行的、非接触和非破坏型的自旋极化激励方法理论上可获得高于50%自旋极化率,引起了人们的广泛关注.文章主要介绍光致自旋电流形成机制和测试方法,以及入射光圆偏振度、光强、入射角度等参数对光致自旋注入效率的调控机理,介绍杂质介导和声子介导对光致自旋输运的贡献,最后提出增强光致自旋电子极化率的可行方案,可为揭示自旋载流子产生、注入和输运相关的自旋动力学核心科学问题以及研制高性能自旋电子器件提供有益的参考.

Y3Fe5O12(YIG)/Pt异质结构中基于超快自旋塞贝克效应产生太赫兹相干辐射研究

铁磁/非磁异质结构中的超快自旋流-电荷流转换实现相干太赫兹辐射得到了广泛研究.热自旋电子学结合了热输运与磁输运,可以有效地产生和探测自旋的非平衡输运.本文利用飞秒激光脉冲激发铁磁绝缘体钇铁石榴石(Y3Fe5O12,YIG)/Pt异质结构,通过超快自旋塞贝克效应(SSE)产生太赫兹(THz)相干辐射.实验中,THz脉冲的相位随外加磁场和激光入射样品顺序的反转而反转,表明THz辐射与界面温度梯度的方向密切相关.为了考察界面对THz辐射性能的影响,系统地研究了YIG/Pt异质结构不同退火处理后的THz辐射情况.实验发现,生长在Gd3Ga5O12(GGG)衬底上的YIG/Pt经退火处理后再原生一层Pt膜,其THz辐射强度提高了一个数量级.归因于退火后增强了YIG/Pt界面的自旋混合电导率.此外,还研究了生长在高阻Si衬底上退火后优化结构的能量密度与THz辐射强度的关系,拟合得到饱和能量密度约为1.4 mJ/cm2.实验结果表明,YIG/Pt异质结构的界面调控能够优化THz辐射特性,为基于超快SSE自旋电子学太赫兹发射器开辟了新的途径.

自旋Seebeck效应实验研究进展

自旋Seebeck效应是自旋热电子学(Spin caloritronics)领域中反映自旋流和热流之间相互作用关系的重要物理现象。它具有重要的科学研究价值和深远的应用前景,得到了国内外相关研究组织的广泛关注。通过对自旋Seebeck效应的研究意义进行简单介绍,重点分析了由热流激发自旋波(自旋流)引起的自旋Seebeck效应的物理机制,并对其探测方法以及现阶段存在的问题进行了着重阐述。

自旋Seebeck效应研究进展

自旋Seebeck效应是自旋电子学的一个新兴领域,它指的是在特定条件下,在强自旋轨道耦合的非磁金属材料与铁磁绝缘体等材料接触时,界面出现温度梯度诱导产生的自旋流注入现象。它实现了从热流到自旋流的转换,同时这种自旋流注入可以通过非磁金属中的逆自旋霍尔效应转化为电荷电压。我们将介绍这个领域最近的实验进展,综述了自旋Seebeck效应的最新机制理论,最后作了器件应用方面的介绍,并对相关理论和实验研究进行了展望,指出要应用于未来热电转换仍是一个挑战性的任务并提出一些解决思路。

铁磁异质结构中的超快自旋流调制实现相干太赫兹辐射

利用飞秒激光脉冲在生长于二氧化硅衬底上的W/CoFeB/Pt和Ta/CoFeB/Pt两类铁磁/非磁性金属异质结构中实现高效、宽带的相干THz脉冲辐射.实验中, THz脉冲的相位随外加磁场的反转而反转,表明THz辐射与样品的磁有序密切相关.为了考察三层膜结构THz辐射的物理机制,分别研究了构成三层膜结构的双层异质结构(包括CoFeB/W, CoFeB/Pt和CoFeB/Ta)的THz辐射.实验结果都与逆自旋霍尔效应相符合, W/CoFeB/Pt和Ta/CoFeB/Pt三层膜结构所辐射的THz强度优于同等激发功率下的ZnTe (厚度0.5 mm)晶体.此外,还研究了两款异质结构和ZnTe的THz辐射强度与激发光脉冲能量密度的关系,发现Ta/CoFeB/Pt的饱和能量密度略大于W/CoFeB/Pt的饱和能量密度,表明自旋电子在Ta/CoFeB/Pt中的界面积累效应相对较小.

基于超快自旋-电荷转换的太赫兹辐射源

太赫兹技术在成像、传感和安全等方面展现出了巨大的应用潜力和价值.传统的固态宽带太赫兹源主要依赖于非线性光学晶体和光电导天线,而下一代太赫兹技术的一个主要挑战是开发高效、超宽带和低成本的太赫兹源.最近几年,基于自旋电子学的金属磁性异质结太赫兹源获得了很大关注.本文首先将对该类太赫兹源涉及的物理机理进行讨论,主要包括超快退磁和自旋-电荷转换.然后对该类源的效率提升做了探讨,具体的优化方向体现在三个方面:薄膜材料选择(含生长过程控制)、薄膜厚度和薄膜结构设计.文章最后给出简单总结和该领域的展望.

3d过渡族铁磁金属的自旋热输运研究

关于铁磁金属体系中的自旋热输运实验研究,目前遇到的困难有:温度梯度的不均匀、铁磁金属中自旋流的分布不均匀,以及界面的各种散射等,这都会对铁磁金属多层膜体系的自旋塞贝克效应(SSE)产生显著影响,另外,诸多热相关效应引起的干扰信号,也会导致测量结果不准确。以上问题的存在是相关实验研究很少,且实验结果备受争议的原因。这些问题的解决,对于深入理解自旋热输运过程以及成功将自旋塞贝克效应于自旋电子器件中,均具有重要的理论和实践价值。本工作研究了FM/NM、FM_(1)/FM_(2)/NM结构中的纵向自旋塞贝克效应(LSSE),通过差分方法,扣除了研究体系中FM自身的反常能斯特信号和FM自身所产生的逆自旋霍尔效应信号,从而得到了体系的单一自旋塞贝克效应(SSE)信号。在此基础上,进一步研究了SSE信号对温度及铁磁层厚度的依赖关系。结果表明,SSE信号随温度升高而减小,随厚度增加而增大,值得注意的是,相较于单层FM体系,双层FM体系的信号并非各FM层信号的简单叠加;通过与文献的对比研究发现,采用本实验方法提取的SSE信号与理论模型计算值符合较好。

基于超快电子自旋动力学的太赫兹辐射研究进展

回顾了近年来利用超快自旋动力学过程产生太赫兹(THz)辐射的研究进展。介绍了基于逆自旋霍尔效应和逆Rashba-Edelstein效应的瞬态自旋流-电荷流转换,指出铁磁/非磁性异质结构已被用于设计低成本、高效率的THz辐射源。通过优化膜厚、生长条件、衬底和结构,可进一步提高基于自旋电子学的THz发射器的效率和带宽。简述了THz发射光谱在研究超快自旋泽贝克效应形成动力学中的应用。