[論文レビュー] The role of electron scattering in magnetization relaxation in thin Ni$_{81}$Fe$_{19}$ films

Snorri Ingvarsson, Lance Ritchie+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 12, 2002

Magnetic properties of thin films参考文献 1被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、電子散乱が超薄膜NiFe（パーマロイ）膜における磁化緩和を支配することを示しており、減衰（α）が抵抗率（ρ）と強く相関していることから、表面および不純物での散乱が支配するボトム・ライクな緩和機構であることが示唆される。Ptキャッピング層の追加により、強いスピン軌道結合が生じ、伝導電子におけるスピン反転散乱を引き起こすため、減衰が顕著に増大する。

ABSTRACT

We observe a strong correlation between magnetization relaxation and electrical resistivity in thin Permalloy (Ni$_{81}$Fe$_{19}$, ``Py'') films. Electron scattering rates in the films were affected by varying film thickness and deposition conditions. This shows that the magnetization relaxation mechanism is analogous to ``bulk'' relaxation, where phonon scattering in bulk is replaced by surface and defect scattering in thin films. Another interesting finding is the increased magnetization damping with Pt layers adjacent to the Py films. This is attributed to the strong spin-orbit coupling in Pt, resulting in spin-flip scattering of electrons that enter from the Py.

研究の動機と目的

• 超薄膜Ni81Fe19膜における電子散乱の磁化緩和への役割を調査すること。
• 表面および欠陥散乱が、バルクのフォノン散乱と比較して薄膜における緩和を支配するかどうかを特定すること。
• 特にPtを含む非磁性キャッピング層がギルバート減衰係数αに与える影響を検討すること。
• 2フォノン散乱または界面スピン反転プロセスが、マルチレイヤー構造における減衰の増大を説明できるかどうかを評価すること。
• 薄膜鉄磁性体における電気的抵抗率と磁化緩和の間の定量的関係を確立すること。

提案手法

• 制御された厚さと堆積条件で、dcマグネトロンスパッタリングを用いてNiFe膜を作製した。
• 一軸性面内磁気異方性（o-Py）を誘導するため、堆積中に外部磁場を印加した。比較のため、地球の磁場（d-Py）を用いた。
• van der Pauw法を用いて抵抗率を測定し、散乱率と減衰の相関を評価した。
• フェリオマグネティック共鳴（FMR）を用いてギルバート減衰係数αを抽出した。
• Cu、Nb、Ptで膜をキャッピングし、界面および材料依存の効果がαに与える影響を検討した。
• イオンマイルドを用いて表面損傷を誘導し、その減衰および抵抗率への影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超薄膜NiFe膜におけるギルバート減衰係数αは主に電子散乱によって支配されており、抵抗率と相関しているか？
• RQ2 薄膜における表面および欠陥散乱が、バルク材料におけるフォノン散乱と比較して、磁化緩和への寄与はどのように異なるか？
• RQ3 なぜPtキャッピングは、Cuなどの他の非磁性金属と比較して顕著に減衰を増大させるのか？
• RQ4 界面粗さや構造的欠陥が、電子散乱とは独立して減衰を増大させる程度はどの程度か？
• RQ5 2フォノン散乱または隣接層におけるスピン電流緩和が、Pt/Py/Pt三層構造における増大した減衰を説明できるか？

主な発見

• 単層Py膜では、ギルバート減衰係数αと電気的抵抗率ρとの間で強い線形相関が観察され、電子散乱が支配する緩和機構を支持する。
• 膜厚が小さくなるに従い、減衰係数αが顕著に増大しており、これは薄膜における表面および欠陥散乱の増大と整合的である。
• Ptキャッピングを施したPy膜では、CuまたはNbキャッピングと比較して、減衰の増大が4.5倍以上にのぼり、57 ÅのPy膜厚さでαがバルク値のほぼ4倍に達した。
• イオンマイルド処理を施した試料では、2つのPy/Pt界面に相当する減衰の増大が観察され、イオンマイルドによる表面損傷が電子散乱を顕著に増大させ、結果としてαを増大させることを示した。
• 表面粗さが顕著に高いにもかかわらず、Cuキャッピング試料では減衰増大が最小限に抑えられ、粗さが主因でないことが示され、Ptにおける内在的スピン軌道効果が関与していると結論された。
• イオンマイルド処理およびPtキャッピング試料では、外場依存性のαが観察されなかったことから、2フォノン散乱メカニズムは否定され、電子散乱に基づく緩和が優勢であると結論された。