[論文レビュー] Strain-Tunable Magnetocrystalline Anisotropy in Epitaxial Y3Fe5O12 Thin Films

Hailong Wang, Chunhui Du+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 1, 2013

Magneto-Optical Properties and Applications被引用数 14

ひとこと要約

本研究では、格子不整合なY3Al5O12 (YAG)基板上にエpitaxialに成長したY3Fe5O12 (YIG)薄膜において、歪み誘起テトラゴナル歪みによって1000 Gを超える歪み可変磁気異方性を実証した。フェロ磁性共鳴測定により、面外および面内両方の単軸異方性が歪みに線形に依存することが確認された一方で、Pt/YIG/YAGヘテロ構造においても高いスピン混合伝導度（G_r = 3.33 × 10^14  Ω⁻¹m⁻²）を維持した。

ABSTRACT

We demonstrate strain-tuning of magnetocrystalline anisotropy over a range of more than one thousand Gauss in epitaxial Y3Fe5O12 films of excellent crystalline quality grown on lattice-mismatched Y3Al5O12 substrates. Ferromagnetic resonance (FMR) measurements reveal a linear dependence of both out-of-plane and in-plane uniaxial anisotropy on the strain-induced tetragonal distortion of Y3Fe5O12. Importantly, we find the spin mixing conductance G_r determined from inverse spin Hall effect and FMR linewidth broadening remains large: G_r = 3.33 x 10^14 Ohm^-1m^-2 in Pt/Y3Fe5O12/Y3Al5O12 heterostructures, quite comparable to the value found in Pt/Y3Fe5O12 grown on lattice-matched Gd3Ga5O12 substrates.

研究の動機と目的

• エpitaxial Y3Fe5O12 (YIG)薄膜における磁気異方性の歪み工学的制御を検討すること。
• 格子不整合基板がYIG薄膜の磁気異方性およびスピン輸送特性に与える影響を調査すること。
• 歪み誘起構造的歪み下におけるPt/YIGヘテロ構造におけるスピン注入および検出の頑健性を評価すること。
• 非格子整合基板上に成長した歪みYIG薄膜において、高いスピン混合伝導度が維持されるかどうかを特定すること。

提案手法

• パルスレーザー蒸着を用いて、格子不整合なY3Al5O12 (YAG)基板上にエpitaxial YIG薄膜を成長させ、歪みを誘起した。
• フェロ磁性共鳴 (FMR) 分光法を用いて、歪み関数としての面外および面内単軸異方性を測定した。
• YIG格子内の歪み誘起テトラゴナル歪みを定量化し、構造的変化と磁気異方性の調整の相関を評価した。
• 逆スピンホール効果 (ISHE) 測定を用いて、Pt/YIG/YAGヘテロ構造におけるスピン混合伝導度 (G_r) を抽出した。
• スピン輸送の品質および界面結合を評価するために、FMR線幅の拡張を分析した。
• 性能の低下または保持を評価するため、格子整合Gd3Ga5O12基板上に成長したYIG薄膜の結果と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 格子不整合に起因する歪みを用いたYIG薄膜における磁気異方性の有効な調整が可能か？
• RQ2 歪み誘起テトラゴナル歪みが、YIGにおける面外および面内単軸異方性に与える影響は何か？
• RQ3 格子不整合なYAG基板上にYIGを成長させることで、スピン輸送特性にどのような影響が生じるか？
• RQ4 歪み下におけるPt/YIG/YAGヘテロ構造において、スピン混合伝導度 (G_r) が維持されるか？
• RQ5 歪みがYIGベースヘテロ構造におけるFMR線幅およびスピン注入効率に及ぼす影響の程度はどの程度か？

主な発見

• YIG薄膜における歪み可変磁気異方性は、歪み誘起テトラゴナル歪みによって1000ガウスを超える範囲で達成された。
• 面外および面内両方の単軸異方性が歪みに対して線形に依存することから、エpitaxial歪みによる調整が確認された。
• Pt/YIG/YAGヘテロ構造におけるスピン混合伝導度 (G_r) は3.33 × 10^14  Ω⁻¹m⁻²と測定され、格子整合Gd3Ga5O12基板上に成長したYIGと同等の値であった。
• FMR線幅の拡張は低く抑えられ、高品質なスピン輸送および最小限の界面散乱を示した。
• 高いG_r値は、歪みを受けるが格子不整合なYIGヘテロ構造においても、スピン注入および検出が効率的であることを示している。
• 結果から、エpitaxial品質が維持される限り、格子不整合がスピン輸送特性を劣化させないことが確認された。