摘要：当今科技的发展促使自旋电子学器件向加载速度更快、消耗更少的方向迈进。围绕 该目标，降低磁阻尼是近年来的研究热点问题之一。本论文以 Fe、FeV 金属薄膜为研究 对象，利用频率分辨的铁磁共振系统地分析了 Fe、FeV 的阻尼特性，主要结论为：

1、利用变频铁磁共振，研究了不同共振模式的来源，自旋波谱表明 Ta/Fe 双层膜不 对称结构引起的表面各向异性场会导致一致进动的本征模式与表面自旋波模式共存。

2、通过优化薄膜生长条件，研究了不同缓冲层与退火温度对阻尼的影响。200 oC 退 火和使用 Ta 作为缓冲层可以有效降低本征阻尼。

3、通过改变 Fe 层厚度，研究了本征阻尼对厚度的依赖关系。通过厚度调节实现对 阻尼值的有效调控（0.0022～0.0075），获得了接近块体材料的超低阻尼值。

4、通过 V 的掺杂，初步研究了 FeV 合金的本征阻尼值。由于 V 的掺杂降低了自旋－轨道耦合作用，实现了超低阻尼 0.0023。

关键词 磁动力学 自旋弛豫机制 本征阻尼 铁磁共振

毕业设计说明书外文摘要

Title Design and tuning of metallic ferromagnet for ultra-low magnetic damping

Abstract：The development of today's technology drives the spin electronics to move faster speed and less energy. In order to accomplish this goal, reducing magnetic damping is one of the most popular research hotspots in recent years. In this paper, Fe and FeV alloy films were studied about the damping characteristics of Fe and FeV alloy films measured by frequency-resolved ferromagnetic resonance (FMR). The main conclusions as following:

1、By changing the frequency of ferromagnetic resonance, the system shows different source of resonant mode. The spin wave spectrum shows that Ta/Fe bilayer asymmetric structure induce the surface anisotropy field leads to the intrinsic mode of uniform precession coexists with the surface spin wave mode.

2、The effects of different buffer layers and annealing temperature on the damping were studied by optimizing the film growth conditions. 200 oC annealing and the use of Ta as a buffer layer can effectively reduce the intrinsic damping.

3、The dependence of intrinsic damping on thickness was studied by changing the thickness of Fe layer. The damping can be tuned efficiently from 0.0022~0.0075 via the thickness changes, a ultra-low damping constant as a bit higher than the value in the bulk Fe is achieved.

4、The intrinsic damping value of FeV alloy was studied by the V doping. Since the doping of V reduces the effect of the spin-orbit coupling, a low damping value of 0.0023 was achieved.

Keywords Magnetic dynamics Spin relaxation mechanism Intrinsic damping Ferromagnetic resonance

目 次

1 引言 1

1.1 磁动力学基本概念 1

1.2 超低磁阻尼体系 3

1.3 本课题的目的、内容和意义 6

2 实验过程和方法 8

2.1 磁控溅射仪 8

2.2 高精度共平面波导铁磁共振仪（CPW-FMR） 9

2.3 台阶仪 11

2.4 X 射线能谱仪 11

3 超低阻尼体系的设计及性能分析 12

3.1 自旋波共振模式分析 12

3.2 单质 Fe 薄膜阻尼特性分析 14

3.3 FeV 薄膜的阻尼特性 19

结 论 21

致 谢 22

参 考 文 献 23

1  引言

磁性薄膜的磁动力特性是近年来磁电子学研究领域的热门问题之一。作为磁动力学中描 述磁化强度运动方程的重要参量，磁阻尼特性（α）强烈影响自旋电子学器件的工作能耗以及 运行速度[1-3]。对于探索操控电子自旋的自由度具有至关重要的意义。

下面将简要阐述本论文涉及的磁动力学基本概念，并重点介绍几类超低磁阻尼体系。

1.1    磁动力学基本概念

1.1.1    磁强化运动方程

当铁磁性样品放在恒定均匀的外磁场𝐻!""中，它的磁化矢量𝑀将沿着外磁场方向排列。