CN113126010A - 一种用于测量磁性材料自旋极化率的方法 - Google Patents

一种用于测量磁性材料自旋极化率的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于测量磁性材料自旋极化率的方法，先利用原位洛伦兹透射电子显微镜测试技术测得磁性材料在脉冲电流Iexp作用下磁畴壁的实际运动速度vexp，再利用微磁学模拟计算出相同磁性材料的磁畴壁在完全自旋极化电流作用下Ithe下的理论运动速度vthe，再通过实际与理论之间的数据对比，即计算得出该磁性材料的自旋极化率P。对比传统利用同步辐射和磁圆二色性的自旋极化率测试方法，本发明更加简易、方便，对未来新型磁性材料的自旋极化率分析提供了更便捷的技术方法。

Description

一种用于测量磁性材料自旋极化率的方法
技术领域
本发明属于材料参数测量技术领域，涉及一种用于测量磁性材料自旋极化率的方法。
背景技术
近年来，随着自旋电子学的迅速发展，针对磁性材料的电输运特性相关研究逐渐深入。尤其是磁性存储技术的不断发展，使得自旋转移力矩效应和自旋轨道力矩效应相关的存储器件已经成为未来发展的主要方向。相应的新型磁性材料，如磁性斯格明子材料、二维磁性材料等等纷纷投入器件化的探索之中。在诸多实验中，磁性材料的自旋极化率是一个非常重要的参数，它决定了电流在流经该材料时的自旋极化程度，以及产生了自旋力矩的大小。但获取材料自旋极化率的技术方法，目前还非常缺乏。
通过第一性原理计算，解析其费米面附近的能带结构，可以推测出一种磁性材料的理论自旋极化率，但受限于理论计算的算力以及方法，一般只能获得该材料在接近绝对零度时的理论数值，很难对实际实验产生指导作用。在实验方法中，目前采用的主流技术，是利用同步辐射产生的左旋/右旋圆偏振光辐照材料，利用材料的磁圆二色性解析出该材料的自旋磁矩与轨道磁矩，进一步的分析获得其自旋极化率。但同步辐射实验较为复杂，成本较高，资源紧缺，很难普及到普通的实验室中，这严重阻碍了对新型磁性材料的探索进度。因此，亟需提出一种更加简单的测量材料自旋极化率的方法。
发明内容
本发明的目的就是为了提供一种用于测量磁性材料自旋极化率的方法，以简易快捷的获取磁性材料的自旋极化率。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明的理论基础为自旋转移力矩效应，即当电子流入磁性材料中后，受到材料内部自旋极化环境的影响，自由电子的角动量也会发生改变，从而使得电流成为自旋极化电流；在角动量转移的过程中，如果材料内部存在自旋分布不均匀的区域，如磁畴壁，则角动量转移力矩会在该区域不断积累，从而推动该区域(磁畴壁)向电子运动的方向运动。在这个运动过程中，材料的自旋极化率和注入材料的电流密度的乘积与磁畴壁的运动速度呈现出线性关系。如果能通过实验测得某磁性材料的磁畴壁的运动速度、电流密度，再通过微磁学模拟计算其在完全极化的高密度电流作用下，磁畴壁的理论运动速度，即可计算得出该材料的实际自旋极化率。
具体的，本发明提供了一种用于测量磁性材料自旋极化率的方法，先利用原位洛伦兹透射电子显微镜测试技术测得磁性材料在脉冲电流Iexp作用下磁畴壁的实际运动速度vexp，再利用微磁学模拟计算出相同磁性材料的磁畴壁在完全自旋极化电流作用下Ithe下的理论运动速度vthe，再通过实际与理论之间的数据对比，即计算得出该磁性材料的自旋极化率P。
进一步的，自旋极化率P的计算公式为：
Figure BDA0002984033630000021
进一步的，磁畴壁的实际运动速度vexp的测试过程具体为：
(A)将磁性材料加工成长方形结构，再固定在原位电学测试芯片上，使得厂方向结构的左右两侧分别连接原位电学测试芯片的电极，得到样品；
(B)将样品***洛伦兹透射电子显微镜中，利用菲尼尔模式观测到样品内部的磁畴结构；
(C)利用外置脉冲源，对样品连续通入脉冲电流Iexp，同时，记录样品内部磁畴结构移动的位置，即获得磁畴壁的实际运动速度vexp。
更进一步的，步骤(A)中，长方形结构的长宽比大于等于3:1。
更进一步的，步骤(A)中，长方形结构的厚度小于150nm。
更进一步的，步骤(A)中，长方形结构由磁性材料通过聚焦离子束加工技术加工而成。
进一步的，步骤(C)中，脉冲电流Iexp的电流密度大于1×109A/m2且脉冲宽度在0.5-100ns之间。
进一步的，获得理论运动速度vthe的过程具体为：
(a)根据实际的磁性材料样品的三维形状，运用微磁学模拟软件构建出尺寸相同的理论模型，并对理论模型进行网格划分，划分的网格的尺寸小于该磁性材料的静磁相互作用长度lex；
(b)输入与实际所测磁性材料相符合的材料参数，使得基于理论模型的模拟体系自由驰豫至稳定状态；
(c)对稳定后的模拟体系通入完全自旋极化电流Ithe，并每间隔一定时间输出一帧磁矩分布，以获取磁畴结构位置变化情况，从而计算出磁畴壁的理论运动速度vthe。
更进一步的，静磁相互作用长度lex的计算公式为：
Figure BDA0002984033630000031
其中，A为交换作用系数，μ0为真空磁导率，Ms为饱和磁化强度。
更进一步的，步骤(b)中输入的材料参数包括饱和磁化强度Ms、磁晶各向异性方向、磁晶各向异性系数和交换作用系数A。
对比传统利用同步辐射测试的方法，本发明巧妙的利用了自旋极化电流推动磁畴壁运动的物理现象，结合实际试验和理论计算，利用较为简单的技术方法即获得自旋极化率。简化了研究过程，为新型磁性材料的参数测定，实验设计提供了便利。
附图说明
图1为实际实验中磁畴壁在脉冲电流作用下的运动过程；
图2为理论模拟中磁畴壁在自旋极化电流作用下的运动过程。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
以下各实施方式或实施例中，原位测试芯片来自已经公开的专利(专利号：CN201811448585.8)。其余如无特别说明的原料、功能部件或处理技术，则表明其均为本领域的常规市售原料、为实现对应功能的常规部件或常规处理技术。
本发明提供了一种用于测量磁性材料自旋极化率的方法，先利用原位洛伦兹透射电子显微镜测试技术测得磁性材料在脉冲电流Iexp作用下磁畴壁的实际运动速度vexp，再利用微磁学模拟计算出相同磁性材料的磁畴壁在完全自旋极化电流作用下Ithe下的理论运动速度vthe，再通过实际与理论之间的数据对比，即计算得出该磁性材料的自旋极化率P。
在一些实施方式中，自旋极化率P的计算公式为：
Figure BDA0002984033630000041
在一些实施方式中，磁畴壁的实际运动速度vexp的测试过程具体为：
(A)将磁性材料加工成长方形结构，再固定在原位电学测试芯片上，使得厂方向结构的左右两侧分别连接原位电学测试芯片的电极，得到样品；
(B)将样品***洛伦兹透射电子显微镜中，利用菲尼尔模式观测到样品内部的磁畴结构；
(C)利用外置脉冲源，对样品连续通入脉冲电流Iexp，同时，记录样品内部磁畴结构移动的位置，即获得磁畴壁的实际运动速度vexp。
更进一步的，步骤(A)中，长方形结构的长宽比大于等于3:1。
更进一步的，步骤(A)中，长方形结构的厚度小于150nm。
更进一步的，步骤(A)中，长方形结构由磁性材料通过聚焦离子束加工技术加工而成。
在一些实施方式中，步骤(C)中，脉冲电流Iexp的电流密度大于1×109A/m2且脉冲宽度在0.5-100ns之间。
在一些实施方式中，获得理论运动速度vthe的过程具体为：
(a)根据实际的磁性材料样品的三维形状，运用微磁学模拟软件构建出尺寸相同的理论模型，并对理论模型进行网格划分，划分的网格的尺寸小于该磁性材料的静磁相互作用长度lex；
(b)查询并输入与实际所测磁性材料相符合的材料参数，使得基于理论模型的模拟体系自由驰豫至稳定状态；
(c)对稳定后的模拟体系通入完全自旋极化电流Ithe，并每间隔一定时间输出一帧磁矩分布，以获取磁畴结构位置变化情况，从而计算出磁畴壁的理论运动速度vthe。
更进一步的，静磁相互作用长度lex的计算公式为：
Figure BDA0002984033630000051
其中，A为交换作用系数，μ0为真空磁导率，Ms为饱和磁化强度。若网格尺寸大于静磁相互作用长度，会导致模型计算无法收敛。
更进一步的，步骤(b)中输入的材料参数包括饱和磁化强度、磁晶各向异性方向、磁晶各向异性系数和交换作用系数。
以上各实施方式可以任一单独实施，也可以任意两两组合或更多的组合实施。
下面结合具体实施例来对上述实施方式进行更详细的说明。
实施例1：
第一步，利用聚焦离子束对选取的材料Fe3GeTe2进行加工，获得一块12μm×4μm×0.1μm尺寸的样品，样品两侧通过沉积Pt与芯片形成电流通路。
第二步，将样品***至洛伦兹透射电子显微镜中，控制样品温度处于100K，利用菲涅尔模式观察其磁畴结构。
第三步，将电流脉冲源和样品接通，以1Hz的频率施加电流密度为5.3×1010A/m2，脉冲长度为80ns的电流脉冲I1，通过原位观测记录条纹磁畴移动的位置，可以得到磁畴运动的速度为v1＝0.76m/s。
第四步，构建模拟体系，划分网格的尺寸为2nm，采用的Fe3GeTe2材料的材料参数具体为为：交换系数A为5×10-12J/m，饱和磁化强度Ms为3.5×105A/m，Gilbert阻尼系数＝0.01，磁晶各向异性大小为6.52×105J/m3，磁晶各向异性方向为(0,1,0)。施加电流强度I2为2×1011A/m2，每隔0.1ns输出一张磁矩分布图，记录磁畴位置，从而根据磁畴位置变化计算磁畴壁运动速度为v2＝8m/s。
第五步，根据公式计算得到实际电流的自旋极化率：
Figure BDA0002984033630000052
可见，总的来说，本发明利用了自旋转移矩效应对磁性材料内部磁畴壁推动速度与自旋极化电流密度呈线性相关的基本原理，通过原位洛伦兹透射电子显微镜技术，在实验中测定在额定电流密度作用下，磁畴壁的运动速度。而后，通过以LLG方程作为基础的微磁学模拟计算方法，计算出磁性材料在完全自旋极化电流作用下的理论运动速度。通过对理论速度和实际速度之间的对比，即可计算出该材料的实际自旋极化率。对比传统利用同步辐射和磁圆二色性的自旋极化率测试方法，该方法更加简易、方便，对未来新型磁性材料的自旋极化率分析提供了更便捷的技术方法。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于测量磁性材料自旋极化率的方法，其特征在于，先利用原位洛伦兹透射电子显微镜测试技术测得磁性材料在脉冲电流Iexp作用下磁畴壁的实际运动速度vexp，再利用微磁学模拟计算出相同磁性材料的磁畴壁在完全自旋极化电流作用下Ithe下的理论运动速度vthe，再通过实际与理论之间的数据对比，即计算得出该磁性材料的自旋极化率P。
2.根据权利要求1所述的一种用于测量磁性材料自旋极化率的方法，其特征在于，自旋极化率P的计算公式为：
Figure FDA0002984033620000011
3.根据权利要求1所述的一种用于测量磁性材料自旋极化率的方法，其特征在于，磁畴壁的实际运动速度vexp的测试过程具体为：
(A)将磁性材料加工成长方形结构，再固定在原位电学测试芯片上，使得厂方向结构的左右两侧分别连接原位电学测试芯片的电极，得到样品；
(B)将样品***洛伦兹透射电子显微镜中，利用菲尼尔模式观测到样品内部的磁畴结构；
(C)利用外置脉冲源，对样品连续通入脉冲电流Iexp，同时，记录样品内部磁畴结构移动的位置，即获得磁畴壁的实际运动速度vexp。
4.根据权利要求3所述的一种用于测量磁性材料自旋极化率的方法，其特征在于，步骤(A)中，长方形结构的长宽比大于等于3:1。
5.根据权利要求3所述的一种用于测量磁性材料自旋极化率的方法，其特征在于，步骤(A)中，长方形结构的厚度小于150nm。
6.根据权利要求3所述的一种用于测量磁性材料自旋极化率的方法，其特征在于，步骤(A)中，长方形结构由磁性材料通过聚焦离子束加工技术加工而成。
7.根据权利要求1或3所述的一种用于测量磁性材料自旋极化率的方法，其特征在于，步骤(C)中，脉冲电流Iexp的电流密度大于1×109A/m2且脉冲宽度在0.5-100ns之间。
8.根据权利要求1所述的一种用于测量磁性材料自旋极化率的方法，其特征在于，获得理论运动速度vthe的过程具体为：
(a)根据实际的磁性材料样品的三维形状，运用微磁学模拟软件构建出尺寸相同的理论模型，并对理论模型进行网格划分，划分的网格的尺寸小于该磁性材料的静磁相互作用长度lex；
(b)输入与实际所测磁性材料相符合的材料参数，使得基于理论模型的模拟体系自由驰豫至稳定状态；
(c)对稳定后的模拟体系通入完全自旋极化电流Ithe，并每间隔一定时间输出一帧磁矩分布，以获取磁畴结构位置变化情况，从而计算出磁畴壁的理论运动速度vthe。
9.根据权利要求8所述的一种用于测量磁性材料自旋极化率的方法，其特征在于，静磁相互作用长度lex的计算公式为：
Figure FDA0002984033620000021
其中，A为交换作用系数，μ0为真空磁导率，Ms为饱和磁化强度。
10.根据权利要求8所述的一种用于测量磁性材料自旋极化率的方法，其特征在于，步骤(b)中输入的材料参数包括饱和磁化强度、磁晶各向异性方向、磁晶各向异性系数和交换作用系数。
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