宽频带铁磁共振（FMR）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，例如硬盘的读取头，MRAM和自旋转矩振荡器等。

高精度铁磁共振仪-FMR主要征:

• 用户操作界面友好，使用简便易用

• 使用共面波导的宽频带铁磁共振

• 测试有效磁矩 (Meff), 各向异性参数(K), 旋磁比 (γ), 阻尼系数(α), 非均匀展宽(ΔH◦)

• 高精度铁磁共振可以测出1.4nm钴铁硼薄膜信号

• 可以选择扩展逆自旋霍尔测试

• 同时拥有扫场模式和扫频模式

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

参数规格

应用案例

■  退火后的薄膜性

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Py100-xMx）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。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） 用带有电触点的殊共面波导进行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, 难以在纳米磁隧道结中推广应用。1996年, Slonczewski和Berger从理论上预测了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，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），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)高个或多个数量，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，并使用层1.5Ω·m2低阻面积(RA)产品的MgO进步促进隧穿势垒(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*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性

该数据的采集使用了Montana公司的恒温器

用户单位