基于YIG/NM异质结的逆自旋霍尔效应的研究

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巨磁阻效应的发现极大的改变了信息存储的容量,使得磁学的延伸-自旋电子学的研究被兴起。人们认识到,如果能自由地操控电子的自旋,将会引领下一次信息存储与通信技术的革命。自旋霍尔效应因其强大的纯自旋流产生能力而备受瞩目,现阶段的研究在于弄清楚自旋霍尔效应的物理机制,并找到高效自旋流-电荷流转化效率的材料,以便应用于实际的自旋电子器件中。本论文在已有的研究基础上,通过自旋泵浦效应和逆自旋霍尔效应研究了两种Pt掺杂体系材料的自旋霍尔效应,提取出自旋霍尔角和自旋扩散长度,并且结合本征和非本征的自旋霍尔效应分析其自旋流-电荷流转化行为。首先,从磁矩进动的磁化动力学出发,唯象的理解磁矩进动的过程,为之后基于铁磁共振的自旋泵浦效应提供理论基础。进动的磁矩在FM/NM界面传递角动量,形成自旋积累,并在非磁性层中产生自旋流,其表现为体系阻尼系数的增加。目前还没有方法能够直接探测自旋流,而自旋霍尔效应的逆效应则提供了间接的探测方法。自旋流由于非磁性层中自旋轨道耦合的作用,转化电压信号而被探测。其次,通过自主搭建的FMR-ISHE测试系统研究了纯Pt、PtBi合金以及PtW合金中的逆自旋霍尔效应。从铁磁共振得到界面自旋混合电导,其与体系的自旋轨道耦合强度有一定的正比关系。分离出电压信号中ISHE贡献的分量和由界面处微量的磁性Pt贡献的AHE分量,解析ISHE电压信号中包含的各种分量,并根据不同厚度样品的ISHE电压信号提取出自旋霍尔角和自旋扩散长度。最后,结合自旋霍尔电阻率的方法,分析出合金体系中本征和非本征自旋霍尔效应的贡献。PtBi合金中,当Bi含量低于8%时,增加的自旋霍尔电阻率主要由Bi杂质的斜散射贡献,并且与自旋轨道耦合强度呈正比,其自旋霍尔角由纯Pt的4.9%提升到PtBi(8%)合金的10.6%。在Pt W合金中,W含量低于25%时,自旋注入效率随着W浓度升高而降低,自旋霍尔角降低到0.7%,其自旋霍尔电阻率的减少源于Pt与W的自旋轨道耦合作用对相同自旋方向电子的相反作用,以W杂质的侧向跳跃散射为主导。
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