高精度铁磁共振仪-FMR

       NanOsc Instruments AB公司的高精度铁磁共振测试仪FMR为磁动力学研究的新兴领域提供了一个简单的交钥匙解决方案。这款高精度铁磁共振测试仪使用共面波导，可以进行2~40 GHz频率范围的测量。在较宽的频率范围内测量，可以显著提高精确计算各种材料参数的能力，而静态测量技术无法获得这些参数。

宽频带铁磁共振（FMR）特别适合研究磁性薄膜，它不仅是基础自旋电子学和磁学研究的基础，而且也是当前和未来磁存储、磁性传感器、逻辑和微波信号处理技术的组成部分。铁磁共振测试在高频磁学和自旋电子学有着重要的应用，例如逆自旋霍尔（ISHE）、硬盘的读取头、MRAM和自旋转矩振荡器等。

近期，NanOsc最新推出宽频段自旋转移矩铁磁共振（ST-FMR），为 SOT 的精准分析提供了有效路径。其针对铁磁体 / 重金属（FM/HM）结构中的自旋轨道矩展开研究，已在基于 SOT 的磁随机存取存储器（MRAMs）、片上微波无线通信及神经形态计算用 SOT 基自旋霍尔纳米振荡器（SHNOs）等领域获得广泛关注。相较于传统 FMR，ST-FMR 不仅可覆盖全部FMR测量参数，还能额外提取自旋霍尔角（SHA）、类阻尼扭矩效率（DLTE）与类场扭矩效率（FLTE），这些参数对优化SOT器件性能、推动相关技术产业化进程具有重要意义。 

特征参数：

• 交钥匙铁磁共振谱仪（FMR），配套简易易用的软件操作界面

• 基于共面波导实现宽频铁磁共振测试，支持扫场模式和扫频模式

• 可计算有效磁化强度（Meff）、各向异性常数（K）、旋磁比（γ）、阻尼系数（α）以及非均匀展宽（ΔHO）

• 高精度铁磁共振可以测出1.4 nm钴铁硼薄膜信号

• 常规FMR频率2~60GHz可选；ST-FMR频率2~40GHz可选。

• 支持提取交换劲度系数（A）与逆自旋霍尔效应（ISHE）相关参数

• ST-FMR 可额外提取自旋霍尔角（SHA），以及类阻尼转矩效率（DLTE）、类场转矩效率（FLTE）

• CryoFMR 借助专用 CryoFMR 多功能探针，可在所有Quantum Design PPMS 平台系统上运行。同时支持在用户自己的低温磁场平台上集成使用

软件用户使用非常友好，操作界面分为三个部分：

• 设置扫描参数

• 运行测试及实时观察

• 后期处理和参数提取

高精度铁磁共振仪-FMR设备型号

* 最低温度取决于调制幅度与射频频率。

** 60 GHz 频段仅适用于 PPMS DynaCool 系统。

应用案例

■  退火后的薄膜特性

    Pd(8)/Cu(15)/Co(8)/Cu(8)/Ni₈₀Fe₂₀(4.5)/Cu(3)/Pd(3)（厚度以nm计）伪自旋阀多层膜叠层的共振磁场和线宽的频率依赖性如图1所示。薄膜叠层含有Co和Ni₈₀Fe₂₀两个铁磁层，只显示了Ni₈₀Fe₂₀层的共振磁场和线宽。本次研究进行了三次测量。第yi次是对原始薄膜叠层，它表现出zui高的饱和磁化强度和低的阻尼。然而，在随后的两个后退火过程（200°C持续12小时）之后，FMR测量显示饱和磁化强度轻微降低，阻尼显著增加。这些变化归因于热处理后Ni₈₀Fe₂₀薄膜内部的结构变化以及附近Cu层向Ni₈₀Fe₂₀的相互扩散。^[1]

图1  伪自旋阀多层膜叠层的共振场和线宽的频率依赖性。原始薄膜（黑色符号和线条）显示出与随后退火的薄膜（红色和蓝色符号和线条）的明显变化。

参考文献

[1] A. Houshang, et al., “Effect of excitation fatigue on the synchronization of multiple nanocontact spin-torque oscillators”, IEEE Magnetics Letters 5, 3000404 (2014)

■  提取合金膜的饱和磁化强度Ms，阻尼系数α，以及交换劲度A

    除了前面描述的所有自旋通过薄膜厚度同相进动的均匀FMR进动外，在薄膜样品中还可以激发额外的高阶自旋波模式。例如，图2（a）所示的垂直驻波自旋波（PSSW）模式可以被激发，并且可以很容易地使用高精度铁磁共振测试仪FMR在相对较厚的薄膜（>50nm）中测量。如图2（b）所示，可观察到两个共振，对应于FMR和PSSW模式。注意，对于固定频率，PSSW模式将出现在比FMR模式低的场中。如Yin等人所述，通过拟合PSSW模式的共振场，还可以测量交换劲度常数A。图2中所示的模型系统是100纳米厚的坡莫合金（Py）薄膜，由贵金属合金（更具体地说是Py_100-xM_x）合金制成，其中M=Pt、Au或Ag。图2（c）中所示的阻尼α、饱和磁化强度Ms和交换劲度A是贵金属浓度的函数。一般来说，在Py中加入Pt、Au和Ag会增加阻尼，降低饱和磁化强度和交换刚度。更有趣的是，发现Ag的加入显著降低了MS和A，对α的影响很小。^[2]

图2 （a） 磁性薄膜中FMR和PSSW模式的示意图。（b，插图）f=9GHz下的扫场谱，它清楚地显示了FMR和PSSW共振。（b，主图）提取了100nm厚Py₈₅Pt₁₅薄膜的FMR（蓝色）和PSSW（红色）模式的共振场的频率依赖性。（c） 阻尼α、饱和磁化强度Ms和交换劲度A的成分依赖性

参考文献

[2] Y. Yin, et al., “Tunable permalloy-based films for magnonics devices”, Physical Review B 92, 024427 (2015).

■  温度依懒性研究

    在不同温度下测量FMR谱的能力对于物理和材料科学界也至关重要，因为饱和磁化强度、阻尼和非均匀展宽的温度依赖性提供了对基本动力学的进一步了解。用于Quantum Design公司的综合物性测量系统（PPMS）或DynaCool的CryoFMR样品杆允许在4→400 K的温度范围内进行简单和自动化的测量。（注：VersaLab测量平台允许在55→400 K的范围内进行测量。）

    图3(a)显示了一系列测量谱，显示了100 nm厚的Py85Au15薄膜在宽温度范围内的FMR和PSSW模式。图3(a)的插图显示了FMR模式的提取线宽，用于将LabVIEW程序与PPMS、DynaCool、Versalab和MPMS3系统接口，计算两种不同温度下的磁阻尼。图3(b)显示了各种不同合金的自旋波劲度常数D（与交换劲度A相关的参数）的提取温度依赖性。图3(c)显示了三个铁磁薄膜样品的饱和磁化强度、阻尼和非均匀展宽的温度依赖性，在成分和沉积条件上只有微小的差异。有趣的是，对于三个样品中的细微差异，我们观察到了温度依赖性在数量和趋势上的显著差异。^[3]

图3（a，主图）23-350 K温度下的共振谱。（a，插图）两种不同温度下FMR模式线宽的频率依赖性。（b） 各种坡莫基合金自旋波劲度的温度依赖性。（c） Western Digital的Susumu Okamura博士提供了三个铁磁薄膜样品的MS、α和ΔHo的温度依赖性。

参考文献

[3] Y. Yin, et al., “Ferromagnetic and spin-wave resonance on heavy metal doped permalloy films: temperature effects”, IEEE Magnetics Letters 8, 3502604 (2017).

■  逆自旋霍尔效应(ISHE)

    如果我们考虑一个铁磁/非磁双层膜（如Ni80Fe₂₀/Pd）进行FMR，来自Ni₈₀Fe₂₀铁磁层的自旋扩散流将进入非磁性Pd层，这归因于已知的自旋泵浦现象^[4]。然后通过逆自旋霍尔效应（ISHE）^[5]，自旋的扩散流将被转换为可测量的横向直流电压，这在具有大自旋轨道相互作用的非磁性层（如Pt、W、Pd等）中是显著的。图4(A)所示的特殊CPW，用于测量ISHE产生电压（VISHE）的电触点，并连接到NanOsc FMR光谱仪上的单独输入端。ISHE电压是用测量FMR响应的锁定放大器测量的。然而，对于ISHE测量，提供了两种不同的调制方案。可以（i）使用提供的亥姆霍兹线圈调制外部磁场，如测量FMR响应时所做的，或者（ii）使用内部继电器切断/脉冲VISHE。两种调制方案如图4(b)所示，用于Ni₈₀Fe₂₀/Pd双层。注意，场调制响应具有类似于导数的曲线形状，而脉冲调制信号与场调制信号相比表现出单峰值和提升的信噪比。

图4 （a） 利用带有电触点的特殊共面波导进行ISHE测量的实验设计。（b） 采用场调制（顶部）或脉冲调制（底部）检测方案，测量了Ni₈₀Fe₂₀/Pd双层膜在三种典型频率下的VISHE响应。

参考文献

[4] Y. Tserkovnyak, A. Brataas, G.E.W Bauer, “Enhanced Gilbert damping in thin ferromagnetic films”, Physical Review Letters 88, 117601 (2002).

[5] J.E. Hirsch, “Spin Hall Effect”, Physical Review Letters 83, 1834 (1999).

■  Nature Communications：纳米接触磁隧道结中自旋转移力矩驱动的高阶传播自旋波

    早期的磁隧道结依靠磁场实现磁化翻转，这种方式往往功耗较高，随着工艺尺寸减小, 写入电流将急剧增大, 难以在纳米级磁隧道结中推广应用。1996年, Slonczewski和Berger从理论上预测了一种被称为自旋转移矩（Spin Transfer Torque, STT）的纯电学的磁隧道结写入方式，克服了传统磁场写入的缺点，并且写入电流的大小可随工艺尺寸的缩小而减小。2000年前后, 自旋转移矩在实验上被用于实现金属多层膜的磁化翻转^[6]。基于此效应，一种新型的微波振荡器被提出来，即自旋转移力矩纳米振荡器（STNO），利用自旋化电流诱导纳米磁体磁矩翻转，从而实现了微波振荡。

    STNO的典型结构采用一个三明治结构“固定铁磁层FM/非磁性层NM/自由铁磁层FM”来实现，因为内部阻尼的作用，为了维持自振荡，需要10⁶-10⁸ A/cm²级的大电流密度，这可以通过在三层膜上使用纳米触点对电流实现空间压缩来实现，这也是小型化磁振子器件中较有效的自旋波注入器。隧穿磁电阻(TMR)比巨磁阻(GMR)高一个或多个数量级，为了实现高效的电子自旋波读出，磁振子器件还必须基于磁隧道结(MTJ)。

图5  a.普通纳米触点振荡器结构；b.宽边帽纳米触点振荡器结构；

c.磁滞回线；d.磁电阻测试：内嵌图为自由层的铁磁共振频率和面内磁场关系。
（图片来源： Nature Communications (2018) 9:4374）

    与顶部金属层相比，MTJ隧穿势垒的导电性相对较低，导致普通纳米触点的大横向电流分流（图5a）。为了使更多的电流通过MTJ，哥德堡大学物理系的J. Åkerman课题组^[7]采用了宽边帽结构纳米触点，当MTJ覆盖层从纳米触点向外延伸时，帽状帽层逐渐变薄，并使用一层1.5Ω·m2低阻面积(RA)产品的MgO进一步促进隧穿势垒(图5b)。

图6  不同驱动电流下功率谱密度和磁场关系，

a Idc= −5 mA, b Idc =−6 mA, c Idc= −7 mA, d Idc = −8 mA, e Idc = −9 mA, and f Idc =−10 mA.

（图片来源： Nature Communications (2018) 9:4374）

    所得到的器件表现出与纳米触点STNO相关的典型自旋波模式，在不同驱动电流下观测到两个二阶和三阶传播自旋波模态（如图6），这两种模式的波长估计分别为120和74纳米，比150纳米触点小得多。该研究表明这些高阶传播的自旋波将使磁振子器件能够在高的频率下工作，并大大增加它们的传输速率和自旋波传播长度。

参考文献

[6] 赵巍胜,王昭昊,彭守仲, 王乐知, 常亮, 张有光, STT-MRAM存储器的研究进展.中国科学: 物理学 力学 天文学 46, 107306 (2016 )

[7] Houshang, A. , J. Åkerman,et al. Nature Communication (2018) 9:4374

测试数据

■  逆自旋霍尔效应(Inverse Spin Hall Effect)

■  NiFeCu合金在不同磁场下，不同温度下的铁磁共振特性

该数据的采集使用了Montana公司的恒温器

发表文章

1. Spin transfer torque driven higher-order propagating spin waves in nano-contact magnetic tunnel junctions, J. Åkerman, NATURE COMMUNICATIONS ,2018, 9:4374

2. A single layer spin-orbit torque nano-oscillator, J. Åkerman, NATURE COMMUNICATIONS ,2019 10:2362

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