稀土元素Tb摻雜對(duì)Heusler合金Co2FeAl0.5Si0.5的磁各向異性和超快磁化動(dòng)力學(xué)影響研究/*

嚴(yán)逸飛，賴天樹(shù)

(中山大學(xué)光電材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室//物理科學(xué)與工程技術(shù)學(xué)院，廣東廣州510275)

Co基Heusler合金具有100%的自旋極化度、高的居里溫度和大的飽和磁化強(qiáng)度以及小的磁阻尼系數(shù)［1－3］，因而在自旋電子器件中是一種有前途的自旋極化注入源，其中基于Co2MnSi薄膜制作的磁隧道結(jié)，在室溫下已獲得了磁隧道電阻變化率大于300%［4］，充分演示了Co基Heusler合金薄膜在自旋電子器件中的巨大應(yīng)用前景。半導(dǎo)體自旋發(fā)光器件，如Spin-LED或Spin-LD［5－6］，是一種重要的自旋電子器件，它利用自旋極化電子注入，發(fā)射左或右旋圓偏振光，在未來(lái)量子信息傳輸與處理中具有重要應(yīng)用前景。由于半導(dǎo)體中帶間躍遷的選擇定則，要求發(fā)射圓偏振光的波矢方向與電子自旋極化方向一致，即所謂的法拉第結(jié)構(gòu)［5－6］。通常的發(fā)光方向是垂直于注入面或垂直表面，因此，要求自旋極化注入源中的自旋極化方向或鐵磁薄膜中的磁化方向要垂直于注入界面，即自旋極化源是垂直磁化的。然而，具有高度自旋極化度的Co基Heusler合金薄膜都是面內(nèi)磁化的，不利于直接作為Spin-LED或LD的自旋極化注入源。否則，就需要施加垂直于注入面的強(qiáng)磁場(chǎng)［5－6］，使Co基Heusler合金薄膜離面飽和磁化，但強(qiáng)外磁場(chǎng)的引入顯然增加了Spin-LED結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、體積和制作成本。因此，使Co基Heusler合金薄膜變?yōu)殡x面磁化，是自旋電子器件發(fā)展的迫切需要。已報(bào)到稀土摻雜Co2FeAl，能調(diào)控 Co2FeAl的磁各向異性［7］。這為調(diào)控Co基Heusler合金薄膜的磁各向異性提供了一種簡(jiǎn)單的方法。本文將探索稀土摻雜對(duì)Co基Heusler合金薄膜Co2FeAl0.5Si0.5(CFAS)的磁各向異性調(diào)控行為及超快磁化動(dòng)力學(xué)的影響。若能通過(guò)摻雜稀土調(diào)控Co2FeAl0.5Si0.5的磁各向異性，實(shí)現(xiàn)離面磁化，對(duì)于基于Co2FeAl0.5Si0.5的Spin-LED的發(fā)展具有重要的實(shí)際意義。我們的確發(fā)現(xiàn)CFAS合金薄膜在適當(dāng)?shù)腡b摻雜濃度時(shí)，可以轉(zhuǎn)化為離面磁化。這種離面磁化的CFAS合金薄膜在未來(lái)的Spin-LED或LD自旋電子器件制作中具有潛在的巨大應(yīng)用。同時(shí)，我們也發(fā)現(xiàn)離面磁化的Tb摻雜CFAS薄膜的超快退磁化動(dòng)力學(xué)呈現(xiàn)兩步過(guò)程，一個(gè)初始的快退磁過(guò)程之后緊跟著一個(gè)較慢退磁過(guò)程，我們對(duì)這種兩步退磁過(guò)程給出了定性解釋。

1 實(shí)驗(yàn)樣品和方法

1.1 樣品制備

研究樣品為摻雜不同濃度稀土元素Tb的Heusler合金Co2FeAl0.5Si0.5(Tb-CFAS)磁性薄膜。樣品采用Tb和CFAS雙靶共磁控濺射，沉積在室溫玻璃襯底上。CFAS的濺射功率固定為40 W，而Tb的濺射功率在1～10 W變化，共制備了8個(gè)樣品:CFAS40W/Tb1W，CFAS40W/Tb2W，CFAS40W/Tb3W，CFAS40W/Tb4W，CFAS40W/Tb5W，CFAS40W/Tb6W，CFAS40W/Tb8W和CFAS40W/Tb10W。樣品的Tb摻雜濃度依次增加。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

利用飛秒激光時(shí)間分辨泵浦－探測(cè)磁光克爾光譜技術(shù)研究上述8個(gè)樣品的超快磁化動(dòng)力學(xué)。飛秒激光脈沖由鈦寶石飛秒激光放大器產(chǎn)生，電場(chǎng)矢量為線偏振的。激光脈沖的脈寬約150 fs，重復(fù)率為1.0 kHz，中心波長(zhǎng)800 nm。飛秒脈沖激光通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的泵浦－探測(cè)裝置后，分成兩束強(qiáng)度比大約為40∶1的泵浦光和探測(cè)光，近垂直地聚焦到樣品表面上同一點(diǎn)。泵浦光斑直徑約150 μm，而探測(cè)光斑直徑約為75 μm，以保證探測(cè)區(qū)域內(nèi)近均勻激發(fā)。探測(cè)光脈沖通過(guò)光學(xué)延遲線，以實(shí)現(xiàn)相對(duì)泵浦光脈沖的時(shí)間延遲。通過(guò)樣品表面反射的線偏振探測(cè)光的極磁光克爾轉(zhuǎn)角由平衡光橋探測(cè)器 (差分探測(cè)器)檢測(cè)。差分克爾信號(hào)由鎖相放大器度量。一個(gè)光學(xué)斬波器以340 Hz的頻率調(diào)制泵浦光，斬波器控制器輸出的340 Hz的電脈沖作為鎖相放大器的參考信號(hào)。近垂直樣品表面的磁場(chǎng)由電磁鐵產(chǎn)生，最大磁場(chǎng)強(qiáng)度近1 T。實(shí)驗(yàn)在室溫下進(jìn)行。

2 結(jié)果與討論

2.1 磁各向異性的磁化動(dòng)力學(xué)表征

我們首先希望判斷上述8個(gè)Tb-CFAS樣品的磁各向異性是否隨Tb摻雜濃度變化而變化。更具體地說(shuō)判斷Tb-CFAS是否可能從面內(nèi)磁化變?yōu)殡x面磁化。所以，我們開(kāi)展了施加離面外加磁場(chǎng)下的磁化動(dòng)力實(shí)驗(yàn)研究，因?yàn)檫@種技術(shù)容易判斷樣品是面內(nèi)或離面磁化。面內(nèi)磁化樣品的動(dòng)力學(xué)應(yīng)該會(huì)出現(xiàn)自旋進(jìn)動(dòng)振蕩，而離面磁化樣品則不會(huì)。

圖1所示為8個(gè)樣品的磁化動(dòng)力學(xué)的極克爾信號(hào)曲線，在相同的7.5 mJ/cm2泵浦能流和4 kOe近垂直樣品面施加外磁場(chǎng)下測(cè)量?？梢郧宄乜吹酱呕瘎?dòng)力學(xué)隨Tb摻雜濃度 (正比濺射功率)的變化。3個(gè)低Tb摻雜濃度 (Tb 1～3 W)的Tb-CFAS樣品呈現(xiàn)磁化進(jìn)動(dòng)振蕩，但振蕩幅度和頻率都隨Tb濃度增加而減小。4個(gè)較高Tb摻雜濃度 (Tb 4～8 W)的Tb-CFAS樣品的磁化動(dòng)力學(xué)沒(méi)有進(jìn)動(dòng)振蕩，但其退磁化過(guò)程 (延遲零點(diǎn)附近克爾信號(hào)從零變?yōu)樽畲蟮倪^(guò)程)呈現(xiàn)兩步過(guò)程。首先是一個(gè)快速退磁過(guò)程，然后跟著一個(gè)較慢的退磁過(guò)程。最后，Tb摻雜濃度最高 (Tb 10 W)的Tb-CFAS樣品，其磁化動(dòng)力學(xué)僅在延遲零點(diǎn)附近呈現(xiàn)一個(gè)尖峰。磁化進(jìn)動(dòng)振蕩動(dòng)力學(xué)的出現(xiàn)最直觀的表明樣品是面內(nèi)磁化的［3］，因?yàn)檫M(jìn)動(dòng)起源于泵浦光激發(fā)樣品后，樣品內(nèi)的總有效磁場(chǎng)偏離了原來(lái)磁化方向［8］?？傆行Т艌?chǎng)等于離面外磁場(chǎng)與磁晶各向異性場(chǎng)的矢量和。光激發(fā)通常只能改變磁晶各向異性場(chǎng)的大小，所以，只有面內(nèi)磁晶各向異性場(chǎng)的大小變化才能導(dǎo)致有效磁場(chǎng)的方向變化。因此，我們得出結(jié)論:觀察到進(jìn)動(dòng)磁化動(dòng)力學(xué)的三個(gè)Tb-CFAS樣品仍然保持面內(nèi)磁化。而進(jìn)動(dòng)振蕩幅度隨Tb摻雜濃度增加而變小，表明Tb-CFAS樣品的面內(nèi)磁晶各向異性隨Tb摻雜濃度增加而變小。四個(gè)較高Tb摻雜濃度的Tb-CFAS樣品的動(dòng)力學(xué)沒(méi)有出現(xiàn)振蕩，而呈現(xiàn)兩步退磁過(guò)程，這是垂直磁化稀土－過(guò)渡金屬 (RE-TM)薄膜的典型超快退磁化特征［9－10］。這表明較高Tb摻雜濃度的確能使Heusler合金CFAS薄膜變?yōu)榇怪贝呕?，?shí)現(xiàn)了我們的預(yù)期目標(biāo)。這種垂直磁化的Tb-CFAS薄膜在未來(lái)的Spin-LED或LD自旋電子器件中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。最高Tb摻雜濃度的Tb-CFAS薄膜僅在延遲零點(diǎn)處呈現(xiàn)一個(gè)尖峰，顯示此Tb-CFAS樣品可能是進(jìn)入磁無(wú)序狀態(tài)或弱磁晶各向異性狀態(tài)，此尖峰可能是相干假象。有文獻(xiàn) ［11］報(bào)道RE-TM合金薄膜Tb1－xCox和Tb1－xFex的居里溫度 (TC)隨Tb濃度增加而降低。當(dāng)Tb濃度達(dá)到50%時(shí)，TC已減低至室溫或以下。

一個(gè)類似的Tb摻雜Heusler合金薄膜Co2FeAl(Tb-CFA)的磁晶各向異性變化的報(bào)道與我們的結(jié)果非常相似［7］。Li等［7］通過(guò)測(cè)量 Tb-CFA 磁化薄膜的面內(nèi)和離面磁滯回線環(huán)隨Tb摻雜濃度的變化，發(fā)現(xiàn)Tb摻雜濃度在22%和40%之間時(shí)，Tb-CFA薄膜為垂直磁化的。Tb摻雜濃度低于22%時(shí)，Tb-CFA薄膜為面內(nèi)磁化的，而高于40%摻雜濃度時(shí)，為弱磁性弱磁晶各向異性的。這種磁晶各向異性隨Tb摻雜濃度變化的趨勢(shì)支持我們上面的分析結(jié)果。

圖1 在4 kOe近垂直外場(chǎng)下，7.5 mJ/cm2泵浦能流激發(fā)的8個(gè)不同Tb摻雜濃度的Co2FeAl0.5Si0.5全Heusler合金磁薄膜的超快磁化動(dòng)力學(xué)極克爾信號(hào)圖中曲線順序上移，以便清楚顯示Fig.1 Ultrafast magnetization dynamics polar Kerr signal of full-Heusler Co2FeAl0.5Si0.5films doped with 8 different concentration of Tb under 4kOe near-perpendicular external field and a pump fluence of 7.5mJ/cm2 The traces are shifted upward for clarity

通過(guò)對(duì)比我們樣品的Tb摻雜濺射功率比與文獻(xiàn)［7］中標(biāo)定的濃度，我們可以估計(jì)我們的8個(gè)樣品的Tb摻雜濃度。圖1中CFAS 40W/Tb 3W和CFAS 40W/Tb 4W兩個(gè)樣品的Tb摻雜濃度應(yīng)該分別低于和高于22%。CFAS 40W/Tb 3W樣品的Tb的濺射功率比為3/(40+3)=6.98%，而 CFAS 40W/Tb 4W樣品的Tb的濺射功率比為4/(40+4)=9.09%。如果設(shè)置濺射功率比與濃度之間的比例系數(shù)為2.5，則可以計(jì)算出CFAS 40W/Tb 3W樣品的Tb摻雜濃度為6.98% ×2.5=17.44%，而CFAS 40W/Tb 4W樣品的Tb摻雜濃度為9.09%×2.5=22.73%。依此類推，可以計(jì)算出 CFAS 40W/Tb 5W樣品的Tb摻雜濃度為 (5/45)×2.5=27.78%，CFAS 40W/Tb 6W樣品的Tb摻雜濃度為32.61%，CFAS 40W/Tb 8W樣品的Tb摻雜濃度為41.67%，CFAS 40W/Tb 10W樣品的Tb摻雜濃度為50.0%。因而，CFAS 40W/Tb 4W，CFAS 40W/Tb 5W，CFAS 40W/Tb 6W和CFAS 40W/Tb 8W四個(gè)垂直磁化樣品的Tb摻雜濃度的確與文獻(xiàn) ［7］中報(bào)道的22%～40%范圍符合得相當(dāng)好。CFAS 40W/Tb 10W樣品的Tb摻雜濃度高達(dá)50.0%，依據(jù)文獻(xiàn)［7］，它應(yīng)該是弱磁化弱磁各向異性的;而依據(jù)文獻(xiàn) ［11］，它應(yīng)該是磁無(wú)序的，因?yàn)門C已降至室溫或以下。此時(shí)，光激發(fā)調(diào)制的磁變化非常弱，超出試驗(yàn)系統(tǒng)的探測(cè)靈敏度，所以不能探測(cè)到，只有相干假象信號(hào)出現(xiàn)。

2.2 兩步退磁過(guò)程的起源

圖1所示，CFAS 40W/Tb 4W，CFAS 40W/Tb 5W，CFAS 40W/Tb 6W和CFAS 40W/Tb 8W四個(gè)垂直磁化樣品呈現(xiàn)兩步超快退磁過(guò)程。將它們放大單獨(dú)繪制，如圖2中空心符號(hào)點(diǎn)所示。下面將討論這種兩步退磁化過(guò)程的起源。

RE-TM非晶體合金薄膜，如GdFeCo和TbFe-Co的磁性質(zhì)在已被廣泛研究［11－12］，而它們的超快磁化動(dòng)力學(xué)在近十多年也被研究［13－14］。已經(jīng)知道RE與TM之間是反鐵磁耦合的［15］。800 nm波長(zhǎng)探測(cè)光測(cè)量的磁光克爾信號(hào)主要反映的是過(guò)渡金屬的3d電子磁矩變化［16］。Tb元素的磁矩主要由內(nèi)層的4f電子貢獻(xiàn)，但800 nm波長(zhǎng)探測(cè)光不能直接探測(cè)到4f能級(jí)電子磁矩，只能直接探測(cè)外層5d6s電子磁矩，但5d6s電子磁矩只占Tb元素磁矩的3%。所以，Tb元素和TM反鐵磁耦合時(shí)，4f磁矩是通過(guò)5d6s－4f耦合參與的。文獻(xiàn) ［9］正是基于這種模型解釋了在GdFeCo薄膜中觀察的兩步退磁化過(guò)程。認(rèn)為第一步超快退磁化過(guò)程起源于泵浦激光感應(yīng)的TM的3d磁矩退磁化，而第二步較慢退磁化過(guò)程正是反映了4f磁矩通過(guò)5d6s－4f耦合的退磁化過(guò)程。文獻(xiàn) ［9］還發(fā)展了一個(gè)四溫度模型來(lái)理論模擬計(jì)算超快磁化動(dòng)力學(xué)過(guò)程。模擬計(jì)算結(jié)果的確顯示Gd的4f自旋溫度上升速度比TM的3d自旋溫度上升慢得多，與實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果一致。如果我們的Tb摻雜元素也是和CFAS中的TM元素反鐵磁耦合，那么，依據(jù)文獻(xiàn) ［9］的物理圖像，同樣可以解釋圖2所示的兩步退磁化過(guò)程。第一步快的退磁化過(guò)程同樣是起源于TM(Co，F(xiàn)e)的超快退磁化，而第二步較慢的退磁化反映的是Tb元素的4f磁矩通過(guò)5d6s－4f耦合的退磁化過(guò)程。

為了定量了解兩個(gè)退磁化過(guò)程的時(shí)間尺度，我們擬合了整個(gè)磁化動(dòng)力學(xué)過(guò)程，使用如下的指數(shù)和模型:

式中A，B，C，D為四個(gè)待擬合系數(shù)，τf和τs分別為快 (第一)和慢 (第二)退磁化過(guò)程的時(shí)間常數(shù)，τ1和τ2為退磁化恢復(fù)過(guò)程的時(shí)間常數(shù)。

圖2 7.5 mJ/cm2能流密度泵浦光激發(fā)4 kOe近垂直外場(chǎng)下，4個(gè)垂直磁化樣品的磁化動(dòng)力學(xué)曲線空心點(diǎn)表示實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)，實(shí)線為擬合曲線;τf和τs分別表示兩步退磁過(guò)程的快慢過(guò)程的時(shí)間常數(shù)圖中曲線順序上移，以便清楚顯示Fig.2 Magnetization dynamics of 4 perpendicular magnetization samples under 4 kOe near-perpendicular external field and a pump fluence of 7.5 mJ/cm2 The dot is measurement data，the solid line is fitted curve;τfand τsare time constant of fast and slow demagnetization respectively.The traces are shifted upward for clarity

應(yīng)用方程 (1)最優(yōu)化擬合圖2中四條實(shí)驗(yàn)曲線，擬合結(jié)果如圖中實(shí)線所示。擬合獲得的兩步退磁化過(guò)程的時(shí)間常數(shù)如圖2中標(biāo)注所示。顯然，第一步快退磁過(guò)程的時(shí)間常數(shù)τf在5 ps內(nèi)變化，而第二個(gè)較慢退磁化過(guò)程的時(shí)間常數(shù)τs在幾十ps范圍，它遠(yuǎn)小于文獻(xiàn) ［9］中報(bào)道的Gd的4f磁矩的退磁化時(shí)間常數(shù)126 ps。Tb和Gd的4f磁矩的退磁化時(shí)間常數(shù)具有這樣大的差別，可能起源于兩方面原因:一是Gd的4f能級(jí)更深，在費(fèi)米能級(jí)下8.4 eV處［9］，而Tb的4f能級(jí)較淺，在費(fèi)米能級(jí)下2.4 eV處［16］。因此，在Tb中的3d－5d6s－4f耦合強(qiáng)于Gd;二是Gd的軌道磁矩等于零，而Tb的軌道磁矩不為零［16］。因而，Tb中自旋－軌道耦合強(qiáng)于Gd中，4f自旋還可以通過(guò)自旋－晶格耦合退磁，加速了Tb的4f磁矩退磁化［16］。

3 結(jié)論

我們已經(jīng)利用泵浦－探測(cè)磁光克爾光譜研究了摻雜不同濃度Tb的Heusler合金CFAS的磁化動(dòng)力學(xué)信號(hào)，發(fā)現(xiàn)不同濃度的樣品具有不同的動(dòng)力學(xué)過(guò)程，揭示磁晶各向異性隨Tb摻雜濃度變化。顯示較低Tb摻雜濃度的CFAS薄膜呈現(xiàn)面內(nèi)磁各向異性，而較高Tb摻雜濃度時(shí)，CFAS薄膜變?yōu)榇怪贝呕?太高濃度Tb摻雜，CFAS薄膜變?yōu)榇艧o(wú)序，可能是TC降低至室溫或以下。垂直磁化的CFAS薄膜的超快退磁化過(guò)程呈現(xiàn)兩步退磁過(guò)程，對(duì)應(yīng)于TM的3d磁矩和RE的4f磁矩退磁化過(guò)程。摻雜Tb的離面磁化的CFAS合金薄膜在自旋發(fā)光電子器件制作中具有應(yīng)用潛力。但摻雜Tb的離面磁化的CFAS合金薄膜的帶結(jié)構(gòu)是否發(fā)生變化，CFAS合金的高自旋極化度特性是否還保留仍是值得進(jìn)一步研究的問(wèn)題。

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