[論文レビュー] Magnetoelasticity of $\mathrm{Co_{25}}\mathrm{Fe_{75}}$ thin films

Schwienbacher, Daniel, Pernpeintner, Matthias+7 more|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2019

Magnetic properties of thin films被引用数 11

ひとこと要約

本研究では、二重に固定された窒化シリコンナノストリングレゾネータを用いて、超低減衰性Co₂₅Fe₇₅およびCo₁₀Fe₉₀薄膜の磁歪性特性を測定した。Co₂₅Fe₇₅の平行磁歪定数λ∥は(−20.68 ± 0.25) × 10⁻⁶であり、強い磁歪応答を示し、低減衰性スピンオニクスおよびセンシング応用に適していることが確認された。

ABSTRACT

We investigate the magnetoelastic properties of $\mathrm{Co_{25}}\mathrm{Fe_{75}}$ and $\mathrm{Co_{10}}\mathrm{Fe_{90}}$ thin films by measuring the mechanical properties of a doubly clamped string resonator covered with multi-layer stacks containing these films. For the magnetostrictive constants we find $\lambda_{\mathrm{Co_{25}}\mathrm{Fe_{75}}}=(-20.68\pm0.25) imes10^{-6}$ and $\lambda_{\mathrm{Co_{10}}\mathrm{Fe_{90}}}=(-9.80\pm0.12) imes10^{-6}$ at room temperature. In stark contrast to the positive magnetostriction previously found in bulk CoFe crystals. $\mathrm{Co_{25}}\mathrm{Fe_{75}}$ thin films unite low damping and sizable magnetostriction and are thus a prime candidate for micromechanical magnonic applications, such as sensors and hybrid phonon-magnon systems.

研究の動機と目的

• 超低減衰性Co₂₅Fe₇₅およびCo₁₀Fe₉₀薄膜の磁歪性特性を定量すること。これはスピンオニクスおよびマグノニクス応用において極めて重要である。
• バルクと薄膜の磁歪性値の乖離、特にバルクCoFeと比較して薄膜で観察される符号反転を解明すること。
• 高精度でサブミクロンオーダーの低体積磁性薄膜における磁歪応答パラメータを測定する信頼性の高い手法を確立すること。
• Si₃N₄基板上に成長した超低ギルバート減衰性Co₂₅Fe₇₅の磁歪応答が保持されていることを確認し、ナノメカニカルデバイスへの統合を可能にすること。
• 磁歪応答定数b₁を求めて、飽和磁化および剪断弾性率などの材料パラメータと相関づけること。

提案手法

• 磁歪応答に起因する機械的共振周波数の変化をトランスダクションするため、マルチレイヤーCoFe薄膜スタックでコーティングされた二重固定Si₃N₄ナノストリングレゾネータを用いる。
• 外向き磁場の角度Φに依存する共振周波数Ω₀(Φ)を測定し、関係式Θ(Φ) = Φ − [K sin(2Φ)] / [−Mₛμ₀H + 2K cos(2Φ)] を用いて自由エネルギー最小化によりΘに変換する。
• 理論的モデルΩ₀ = π√[(σ₀ + σ₁ cos Θ₂) / (ρₑff L²)] × [1 − 2√(E t² / 12) / (σ₀ + σ₁ cos Θ₂)] を用いて周波数シフトをフィッティングし、磁化再配列に起因する応力変調σ₁を抽出する。
• λ∥ = σ₁ t / (t_CoFe E_CoFe) を用いて平行磁歪定数を計算する。ここでt_CoFeおよびE_CoFeはCoFe薄膜の厚さおよび縦弾性率を表す。
• 剪断弾性率Gおよび飽和磁化Mₛを用いて、磁歪応答強度を定量化する磁歪応答定数b₁ = −3λ∥G / Mₛ を導出する。
• 未パターン化されたCoFe/Si₃N₄サンプルを用いたフェロマグネティック共鳴（FMR）測定により低減衰性を検証し、20 nmのCo₁₀Fe₉₀膜に対してα = 4.2 ± 0.2 × 10⁻³であることを確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超低減衰性Co₂₅Fe₇₅薄膜の磁歪定数λ∥は何か？ また、バルクCoFeと比較してどうなるか？
• RQ2 バルク結晶と比較して符号反転が観察されるが、Co₂₅Fe₇₅薄膜の磁歪性は依然として負で大きく保たれているか？
• RQ3 Co₂₅Fe₇₅およびCo₁₀Fe₉₀薄膜の磁歪応答特性は、バルクCoおよびFe、およびキャニベータ法による従来の文献値と比較してどう異なるか？
• RQ4 Si₃N₄基板上に成長したCo₂₅Fe₇₅の超低ギルバート減衰性は保持されているか？ これによりナノメカニカルデバイスへの応用が可能になるか？
• RQ5 観察された磁気異方性の起源は何か？ また、形状異方性および磁歪応答異方性と比較してどうか？

主な発見

• 室温におけるCo₂₅Fe₇₅の磁歪定数はλ∥ = (−20.68 ± 0.25) × 10⁻⁶と測定され、強い負の磁歪応答を示していることが判明した。
• Co₂₅Fe₇₅の磁歪応答定数b₁は2.62 ± 0.05 Tと決定され、歪みと磁化の間の強い結合が確認された。
• Co₁₀Fe₉₀の磁歪定数はλ∥ = (−9.80 ± 0.12) × 10⁻⁶、b₁ = 1.30 ± 0.02 Tであり、低下は見られるが依然として顕著な磁歪応答を示した。
• フェロマグネティック共鳴測定により、Co₂₅Fe₇₅の超低減衰性はSi₃N₄基板上でも保持されており、20 nmのCo₁₀Fe₉₀膜ではギルバート減衰パラメータα = 4.2 ± 0.2 × 10⁻³であることが確認された。
• 全磁気異方性磁場Baniso ≈ 400 mTと推定され、形状異方性（≈100 mT）、一軸異方性（≈300 mT）、磁歪応答異方性（≈4 mT）の寄与が含まれる。
• 本結果から、Co₂₅Fe₇₅薄膜はバルクCoとFeの間を補間する磁歪値を示すが、バルクCoFeとは逆符号であることが明らかになり、成長条件および微細構造の強い影響が示された。