Einführung in die Breitband-FMR-Spektroskopie Teil 3 – Messbeispiele

Die extrahierte Frequenzabhängigkeit des Resonanzfeldes und der Linienbreite eines Pd(8)/Cu(15)/Co(8)/Cu(8)/Ni₈₀Fe₂₀(4.5)/Cu(3)/Pd(3) (Dicken in nm ) Pseudo-Spin-Ventil-Multischicht-Filmstapel sind in Abbildung 1 gezeigt. 

Während der Filmstapel zwei ferromagnetische Schichten, nämlich Co und Ni₈₀Fe₂₀, enthält, sind nur das Resonanzfeld und die Linienbreite der Ni₈₀Fe₂₀-Schicht gezeigt. Es werden drei Messungen durchgeführt. Der erste ist der wie abgeschiedene unbehandelte Filmstapel, der die höchste Sättigungsmagnetisierung und die geringste Dämpfung zeigt. Nach zwei nachfolgenden Nachglühprozessen des Folienstapels (200 °C für 12 Stun­den) zeigen die FMR-Messungen jedoch eine subtile Abnahme der Sät­ti­gungsmagnetisierung und eine dramatische Erhöhung der Dämpfung. 

Diese Veränderungen werden den struk­turellen Veränderungen innerhalb des Ni₈₀Fe₂₀-Films bei der Wär­me­­be­hand­lung und Interdiffusion der nahe gelegenen Cu-Schichten in die Ni₈₀Fe₂₀-Schicht zugeschrieben [4].

Zusätzlich zu der zuvor beschriebenen einheitlichen FMR-Präzession, bei der alle Spins in Phase durch die Filmdicke präzedieren, können zusätzliche Spin­wellenmodi höherer Ordnung in Dünnfilmproben angeregt werden. Bei­spielsweise kann ein in Abbildung 2(a) schematisch dargestellter senkrecht stehender Spinwellenmodus (PSSW) angeregt werden und kann in relativ dicken Filmen (> 50 nm) unter Verwendung von Breitband-FMR-Spek­troskopie leicht gemessen werden. Wie in Abbildung 2(b) gezeigt, können zwei Resonanzen beobachtet und den FMR- und PSSW-Modi zugeordnet werden. Es ist zu beachten, dass für eine feste Frequenz der PSSW-Modus bei einem niedrigeren Feld als der FMR-Modus auftritt. Wie durch Yin et al. beschrieben, kann durch Anpassen des Resonanzfeldes des PSSW-Modus auch die Aus­tausch­steifigkeitskonstante A gemessen werden. Das in Abbildung 2 dargestellte Modellsystem besteht aus einer 100 nm dicken Permalloy (Py)-Folie, die mit einem Edel­metall legiert ist. Es handelt sich um Py100-xMx, wobei M = Pt, Au oder Ag ist. Die Dämpfung α, Sättigungsmagnetisierung MS und Austauschsteifigkeit A sind in Abbildung 2(c) als Funktion der Edel­­metallkonzentration dargestellt. Im Allgemeinen neigt die Zu­gabe von Pt, Au und Ag zu Py dazu, die Dämpfung zu erhöhen und die Sät­tigungsmagnetisierung als auch die Steifigkeit zu verringern. In­te­res­san­terweise wurde festgestellt, dass die Zugabe von Ag, die sowohl MS als auch A dramatisch verringerte, nur eine geringe Wirkung auf α hatte [5].

(iii)Temperaturabhängigkeitsstudien

Die Fähigkeit, FMR-Spektren bei verschiedenen Temperaturen zu messen, ist auch für die Physik- und ma­te­rialwissenschaftlichen Ge­mein­schaften von entscheidender Bedeutung, da die Temperatur­abhängigkeit der Sät­tigungs­magneti­sierung, der Dämpfung und der inhomo­genen Verbreiterung einen weiteren Einblick in fundamentale Dyna­miken liefert. Die CryoFMR-Sonde zur Verwendung in einem Quan­tum Design Physical Properties Measurement System (PPMS) oder DynaCool ermöglicht einfache und auto­matisierte Messungen über den Tem­peraturbereich von 4 bis 400 K. Eine ähnliche Sonde für die VersaLab Messplattform ermöglicht Messungen von 55 bis 400 K. Abbildung 3(a) zeigt temperaturabhängige Messspektren, die sowohl die FMR- als auch die PSSW-Modi für einen 100 nm dicken Py85Au15-Film zeigen, der einen breiten Temperaturbereich überspannt.

Das eingefügte Frequenzspektrum in Abbildung 3(a) zeigt die extrahierte Linienbreite des FMR-Modus, der zur Berechnung der magnetischen Dämpfung verwendet wird, für zwei verschiedene Temperaturen. Abbildung 3(b) zeigt dann die extrahierte Temperaturabhängigkeit der Spin­wellensteifigkeit D (ein Parameter, der sich auf die Austauschsteifigkeit A bezieht) für eine Vielzahl unterschied­licher Legierungen. Schließ­lich zeigt Abbildung 3(c) die Tem­peratur­ab­hängigkeit der Sättigungs­magne­ti­sierung, der Dämpfung und der in­ho­mogenen Verbreiterung für drei ferro­­magnetische Dünnfilmproben mit nur geringen Unterschieden in den Z­usam­men­setzungen und Ab­schei­­dungs­bedingungen. 

Interes­santer­wei­se werden für nur subtile Un­ter­schie­­de in den drei Proben dramatische Unterschiede in der Größen­ord­nung und in den Trends in der Tem­pe­raturabhängigkeit beob­achtet.

(iv) 
Inverser Spin Hall Effekt (ISHE)

Wenn wir eine ferromagnetische/nichtmagnetische Doppelschicht (z.B. Ni₈₀Fe₂₀/Pd) betrachten, die sich einer FMR unterzieht, tritt ein diffuser Spinnfluss aus dem Ni₈₀Fe₂₀-Ferromagnet in die nichtmagnetische Pd-Schicht ein, die auf ein Phäno­­men zurückzuführen ist, das als Spin-pumpen bekannt ist [7]. Über den inversen Spin-Hall-Effekt (ISHE) [8], der bei nichtmagne­tischen Schichten mit einer großen Spin-Bahn-Wechselwirkung (z. B. Pt, W, Pd, etc.) signifikant sein kann, wird dieser diffuse Fluss von Spins in eine messbare transversale Gleichspannung umgewandelt. Ein spezieller CPW, der in Abbildung 4(a) gezeigt ist, integriert elektrische Kontakte zur Messung dieser ISHE-erzeugten Spannung (VISHE) und ist mit einem separaten Eingang am NanOsc FMR-Spektrometer verbunden. Die ISHE-Spannung wird mit demselben Lock-In-Verstärker gemessen, der zur Messung der FMR-Antwort verwendet wird. Für ISHE-Messungen werden jedoch zwei verschiedene Modulationsschemata bereitgestellt. Man kann entweder (i) das externe Feld mit den mitgelieferten Helmholtz-Spulen modulieren, wie es bei der Messung der FMR-Antwort geschieht, oder (ii) die VISHE mit einem internen Relais zuschneiden/pulsieren. Beide Modulationsschemata sind in Abbildung 4(b) für eine Ni₈₀Fe₂₀/Pd-Doppelschicht gezeigt. Man beachte, dass die feldmodulierte Antwort eine ableitungsähnliche Kurvenform hat, während das pulsmodulierte Signal im Vergleich zu dem feldmodulierten Signal einen einzigen Peak und ein verbessertes SNR aufweist.

Schlussfolgerung

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass mittels Breitband-FMR-Spektroskopie-Messungen von Dünn­filmen eine Vielzahl von Material­parametern bestimmt werden kann, was mit konventionellen statischen Techniken nicht möglich wäre. Die obigen Beispiele geben exemplarisch eine kurze Einführung in diese Messungen für verschiedene Ma­terialsysteme. Weitere Messbei­spiele, die speziell die NanOsc-Reihe von FMR-Spek­trometern verwenden, finden Sie unter [10].

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

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

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

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

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

[9] E. Saitoh et al., “Conversion of spin current into a charge current at room temperature: inverse spin-Hall effect” Applied Physics Letters 88, 182509 (2006).

[10] For additional measurement examples see:  www.nanosc.se/testimonials.html