嚴逸飛，賴天樹

(中山大學光電材料與技術(shù)國家重點實驗室//物理科學與工程技術(shù)學院，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，在未來量子信息傳輸與處理中具有重要應(yīng)用前景。由于半導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磁場［5－6］，使Co基Heusler合金薄膜離面飽和磁化，但強外磁場的引入顯然增加了Spin-LED結(jié)構(gòu)復雜程度、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單的方法。本文將探索稀土摻雜對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力學的影響。若能通過摻雜稀土調(diào)控Co2FeAl0.5Si0.5的磁各向異性，實現(xiàn)離面磁化，對于基于Co2FeAl0.5Si0.5的Spin-LED的發(fā)展具有重要的實際意義。我們的確發(fā)現(xiàn)CFAS合金薄膜在適當?shù)腡b摻雜濃度時，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，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力學呈現(xiàn)兩步過程，一個初始的快退磁過程之后緊跟著一個較慢退磁過程，我們對這種兩步退磁過程給出了定性解釋。

1 實驗樣品和方法

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 實驗方法

利用飛秒激光時間分辨泵浦－探測磁光克爾光譜技術(shù)研究上述8個樣品的超快磁化動力學。飛秒激光脈沖由鈦寶石飛秒激光放大器產(chǎn)生，電場矢量為線偏振的。激光脈沖的脈寬約150 fs，重復率為1.0 kHz，中心波長800 nm。飛秒脈沖激光通過標準的泵浦－探測裝置后，分成兩束強度比大約為40∶1的泵浦光和探測光，近垂直地聚焦到樣品表面上同一點。泵浦光斑直徑約150 μm，而探測光斑直徑約為75 μm，以保證探測區(qū)域內(nèi)近均勻激發(fā)。探測光脈沖通過光學延遲線，以實現(xiàn)相對泵浦光脈沖的時間延遲。通過樣品表面反射的線偏振探測光的極磁光克爾轉(zhuǎn)角由平衡光橋探測器 (差分探測器)檢測。差分克爾信號由鎖相放大器度量。一個光學斬波器以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。近垂直樣品表面的磁場由電磁鐵產(chǎn)生，最大磁場強度近1 T。實驗在室溫下進行。

2 結(jié)果與討論

2.1 磁各向異性的磁化動力學表征

我們首先希望判斷上述8個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，我們開展了施加離面外加磁場下的磁化動力實驗研究，因為這種技術(shù)容易判斷樣品是面內(nèi)或離面磁化。面內(nèi)磁化樣品的動力學應(yīng)該會出現(xiàn)自旋進動振蕩，而離面磁化樣品則不會。

圖1所示為8個樣品的磁化動力學的極克爾信號曲線，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下測量?？梢郧宄乜吹酱呕瘎恿W隨Tb摻雜濃度 (正比濺射功率)的變化。3個低Tb摻雜濃度 (Tb 1～3 W)的Tb-CFAS樣品呈現(xiàn)磁化進動振蕩，但振蕩幅度和頻率都隨Tb濃度增加而減小。4個較高Tb摻雜濃度 (Tb 4～8 W)的Tb-CFAS樣品的磁化動力學沒有進動振蕩，但其退磁化過程 (延遲零點附近克爾信號從零變?yōu)樽畲蟮倪^程)呈現(xiàn)兩步過程。首先是一個快速退磁過程，然后跟著一個較慢的退磁過程。最后，Tb摻雜濃度最高 (Tb 10 W)的Tb-CFAS樣品，其磁化動力學僅在延遲零點附近呈現(xiàn)一個尖峰。磁化進動振蕩動力學的出現(xiàn)最直觀的表明樣品是面內(nèi)磁化的［3］，因為進動起源于泵浦光激發(fā)樣品后，樣品內(nèi)的總有效磁場偏離了原來磁化方向［8］?？傆行Т艌龅扔陔x面外磁場與磁晶各向異性場的矢量和。光激發(fā)通常只能改變磁晶各向異性場的大小，所以，只有面內(nèi)磁晶各向異性場的大小變化才能導致有效磁場的方向變化。因此，我們得出結(jié)論:觀察到進動磁化動力學的三個Tb-CFAS樣品仍然保持面內(nèi)磁化。而進動振蕩幅度隨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。四個較高Tb摻雜濃度的Tb-CFAS樣品的動力學沒有出現(xiàn)振蕩，而呈現(xiàn)兩步退磁過程，這是垂直磁化稀土－過渡金屬 (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?，實現(xiàn)了我們的預期目標。這種垂直磁化的Tb-CFAS薄膜在未來的Spin-LED或LD自旋電子器件中具有重要的應(yīng)用價值。最高Tb摻雜濃度的Tb-CFAS薄膜僅在延遲零點處呈現(xiàn)一個尖峰，顯示此Tb-CFAS樣品可能是進入磁無序狀態(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 ［11］報道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Tb濃度達到50%時，TC已減低至室溫或以下。

一個類似的Tb摻雜Heusler合金薄膜Co2FeAl(Tb-CFA)的磁晶各向異性變化的報道與我們的結(jié)果非常相似［7］。Li等［7］通過測量 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，Tb-CFA薄膜為垂直磁化的。Tb摻雜濃度低于22%時，Tb-CFA薄膜為面內(nèi)磁化的，而高于40%摻雜濃度時，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支持我們上面的分析結(jié)果。

圖1 在4 kOe近垂直外場下，7.5 mJ/cm2泵浦能流激發(fā)的8個不同Tb摻雜濃度的Co2FeAl0.5Si0.5全Heusler合金磁薄膜的超快磁化動力學極克爾信號圖中曲線順序上移，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

通過對比我們樣品的Tb摻雜濺射功率比與文獻［7］中標定的濃度，我們可以估計我們的8個樣品的Tb摻雜濃度。圖1中CFAS 40W/Tb 3W和CFAS 40W/Tb 4W兩個樣品的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四個垂直磁化樣品的Tb摻雜濃度的確與文獻 ［7］中報道的22%～40%范圍符合得相當好。CFAS 40W/Tb 10W樣品的Tb摻雜濃度高達50.0%，依據(jù)文獻［7］，它應(yīng)該是弱磁化弱磁各向異性的;而依據(jù)文獻 ［11］，它應(yīng)該是磁無序的，因為TC已降至室溫或以下。此時，光激發(fā)調(diào)制的磁變化非常弱，超出試驗系統(tǒng)的探測靈敏度，所以不能探測到，只有相干假象信號出現(xiàn)。

2.2 兩步退磁過程的起源

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

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力學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波長探測光測量的磁光克爾信號主要反映的是過渡金屬的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，但800 nm波長探測光不能直接探測到4f能級電子磁矩，只能直接探測外層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，4f磁矩是通過5d6s－4f耦合參與的。文獻 ［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程。認為第一步超快退磁化過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程正是反映了4f磁矩通過5d6s－4f耦合的退磁化過程。文獻 ［9］還發(fā)展了一個四溫度模型來理論模擬計算超快磁化動力學過程。模擬計算結(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，與實驗觀察結(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 ［9］的物理圖像，同樣可以解釋圖2所示的兩步退磁化過程。第一步快的退磁化過程同樣是起源于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5d6s－4f耦合的退磁化過程。

為了定量了解兩個退磁化過程的時間尺度，我們擬合了整個磁化動力學過程，使用如下的指數(shù)和模型:

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

圖2 7.5 mJ/cm2能流密度泵浦光激發(fā)4 kOe近垂直外場下，4個垂直磁化樣品的磁化動力學曲線空心點表示實驗測量數(shù)據(jù)，實線為擬合曲線;τf和τs分別表示兩步退磁過程的快慢過程的時間常數(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中四條實驗曲線，擬合結(jié)果如圖中實線所示。擬合獲得的兩步退磁化過程的時間常數(shù)如圖2中標注所示。顯然，第一步快退磁過程的時間常數(shù)τf在5 ps內(nèi)變化，而第二個較慢退磁化過程的時間常數(shù)τs在幾十ps范圍，它遠小于文獻 ［9］中報道的Gd的4f磁矩的退磁化時間常數(shù)126 ps。Tb和Gd的4f磁矩的退磁化時間常數(shù)具有這樣大的差別，可能起源于兩方面原因:一是Gd的4f能級更深，在費米能級下8.4 eV處［9］，而Tb的4f能級較淺，在費米能級下2.4 eV處［16］。因此，在Tb中的3d－5d6s－4f耦合強于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－軌道耦合強于Gd中，4f自旋還可以通過自旋－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的磁化動力學信號，發(fā)現(xiàn)不同濃度的樣品具有不同的動力學過程，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，CFAS薄膜變?yōu)榇怪贝呕?太高濃度Tb摻雜，CFAS薄膜變?yōu)榇艧o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程呈現(xiàn)兩步退磁過程，對應(yīng)于TM的3d磁矩和RE的4f磁矩退磁化過程。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一步研究的問題。

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