[發(fā)明專利]FM/NM薄膜結構中獲得純凈逆自旋霍爾電壓的方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810521902.8
• 申請日: 2018-05-28
• 公開（公告）號: CN108710018B
• 公開（公告）日: 2021-01-22
• 發(fā)明（設計）人: 張文旭;黃飛;彭斌;張萬里
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G01R19/00
• 分類號: G01R19/00;G01N24/00
• 代理公司: 成都點睛專利代理事務所(普通合伙) 51232
• 代理人: 敖歡;葛啟函

本發(fā)明提供一種FM/NM薄膜結構中獲得純凈逆自旋霍爾電壓的方法，首先利用仿真軟件找到一個鐵磁薄膜長寬比值a，使得微波感應電流主要被限制在樣品的測試方向；測量長寬比值為a的單層鐵磁薄膜樣品在φ_H為90°的情況下的自旋整流電壓是否低于檢測限度，如果低于了檢測限度，就按照這個長寬比值a來制作鐵磁/非鐵磁雙層薄膜樣品；測量此鐵磁/非鐵磁雙層薄膜樣品兩端在φ_H為90°情況下的電壓，此電壓就是純凈的逆自旋霍爾電壓；本發(fā)明能夠直接精確的獲得純凈的逆自旋霍爾電壓，只需一步測試過程，大大減小了工作量，避免了多次測量所帶來的誤差，從精確可靠的逆自旋霍爾電壓值中可以提取出更加可靠的自旋相關的重要參數(shù)。

技術領域

本發(fā)明屬于自旋電子學研究以及自旋電子器件的技術領域，涉及一種能夠直接獲得純凈 逆自旋霍爾電壓的方法，具體為一種FM/NM薄膜結構中直接獲得純凈逆自旋霍爾電壓值的 方法。

背景技術

在自旋電子學中，自旋流的產生，輸運，調控和探測始終是實現(xiàn)自旋電子器件的最基本 和最關鍵的科學問題。隨著研究的不斷進展，目前產生自旋流的方法已有多種，比如非局域 電注入自旋流技術，聲波共振注入自旋流技術，圓偏振光注入自旋流技術，基于自旋泵浦效 應(spin pumping)的自旋流注入技術。其中，自旋泵浦效應是指在鐵磁薄膜材料(ferromagnetic, FM)和非磁性薄膜材料(nonmagnetic,NM)復合層狀薄膜結構中，鐵磁材料在鐵磁共振時 產生磁矩進動，從而往非磁性金屬內注入自旋流。又由于逆自旋霍爾效應(ISHE，inverse spin Hall effect)，即基于非磁性金屬內自旋軌道耦合作用,自旋相反的電子向垂直于自旋流的方向 偏轉,從而在非磁性金屬內，自旋電子的定向移動將自旋流轉化為了電荷流,通過檢測樣品兩 端的逆自旋霍爾電壓則可以表征出自旋流的大小。自旋泵浦連同逆自旋霍爾效應，形成了自 旋流的產生、輸運、和探測的整個過程，為自旋電子學的發(fā)展提供了新的發(fā)展空間，注入了 新的活力。

在FM/NM結構中，鐵磁共振下樣品兩端的電壓不僅有逆自旋霍爾效應的貢獻，還有FM 薄膜內的自旋整流效應(spin rectification effect,SRE)的貢獻。所以樣品兩端實際測得的電壓 是逆自旋霍爾電壓(V_ISHE)和自旋整流電壓(V_SRE)的疊加。然而我們更關注的是逆自旋霍 爾電壓的值，因為從中可以提取出與自旋相關的重要參數(shù)(如非磁性金屬的自旋霍爾角和自 旋擴散長度)。由于V_ISHE隨外加直流磁場的變化曲線呈現(xiàn)為對稱的Lorentz線型，而V_SRE的 曲線包含對稱和反對稱的Lorentz線型，所以分離這兩個電壓有一定的困難。

對于FM/NM結構，文獻報道提取逆自旋霍爾電壓的方法有：

(1)將樣品直接鍍在共面波導上，并假設樣品內微波感應電流與微波磁場的相位差始終 為90°，這個假設直接導致V_SRE只有反對稱分量的貢獻，所以分離出的V_ISHE可能是不精確的。

(2)利用TE₀₁₁諧振腔來測試樣品，在諧振腔中心微波的磁場分量被最大化，而電場分 量被最小化，從而最大化的抑制自旋整流信號的產生。然而諧振腔只在其諧振頻率附近下工 作，所以想要用它來研究逆自旋霍爾效應的頻率特性是很困難的。

(3)基于V_ISHE和V_SRE有不同的面內磁場角度的依賴關系，通過旋轉磁場角度的測量方 法來分離兩者電壓。然而這個方法需要大量的不同磁場角度下的測量，因此大大的增加了工 作量，帶來了很多不便。

(4)基于V_ISHE和V_SRE對自旋流注入的方向有不同的依賴關系，通過翻轉樣品測試來分 離兩者電壓。然而翻轉前后樣品所處的微波磁場可能會有所差異，因此提取出的V_ISHE可能會 有一定的誤差。

發(fā)明內容