[논문 리뷰] $ ext{Co}_{25} ext{Fe}_{75}$ Thin Films with Ultralow Total Damping

Eric R. J. Edwards, Hans T. Nembach외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 24.

Magnetic properties of thin films참고 문헌 35인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 펄스 스퍼터링법으로 제작된 Co25Fe75 박막에서 자성공명 및 브릴루아인 빛산란을 이용하여 초저감쇠를 조사한다. 수직 방향 총 감쇠 계수는 0.0013 이하이며, 평면 내 최소 감쇠는 0.0020 이하로 측정되었으며, 12 nm 두께의 박막에서 10 GHz에서 반폭반폭 폭이 1 mT로 측정되어 매우 높은 스핀파 간섭성과 저손실 스핀트로닉스 장치 잠재력이 있음을 시사한다.

ABSTRACT

We measure the dynamic properties of $ ext{Co}_{25} ext{Fe}_{75}$ thin films grown by dc magnetron sputtering. Using ferromagnetic resonance spectroscopy, we demonstrate an ultralow total damping parameter in the out-of-plane configuration of < 0.0013, whereas for the in-plane configuration we find a minimum total damping of < 0.0020. In both cases, we observe low inhomogeneous linewidth broadening in macroscopic films. We observe a minimum full-width half-maximum linewidth of 1 mT at 10 GHz resonance frequency for a 12 nm thick film. We characterize the morphology and structure of these films as a function of seed layer combinations and find large variation of the qualitative behavior of the in-plane linewidth vs. resonance frequency. Finally, we use wavevector-dependent Brillouin light scattering spectroscopy to characterize the spin-wave dispersion at wave vectors up to 23 $μ ext{m}^{-1}$.

연구 동기 및 목표

• 고급 스핀트로닉스 응용을 위한 Co25Fe75 박막에서 초저감쇠를 달성하기 위해.
• 기저층 조합이 박막의 미세구조 및 스핀 역학에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 파수벡터 의존성 브릴루아인 빛산란을 이용해 23 μm⁻¹까지 스핀파 분산을 특성화하기 위해.
• macroscopic 박막에서의 비균일한 반폭반폭 폭 넓힘을 최소화하여 공명 품질을 향상시키기 위해.
• 구조적 및 자성 특성과 동적 감쇠 계수 간의 상관관계를 규명하기 위해.

제안 방법

• 수직 및 평면 내 자기장 설정에서 총 감쇠 계수를 측정하기 위해 자성공명 스펙트로스코피를 사용하였다.
• 다양한 기저층 조합을 가진 Co25Fe75 박막을 제조하기 위해 DC 마그네톤 스퍼터링을 적용하였다.
• 파수벡터 의존성 브릴루아인 빛산란 스펙트로스코피를 활용하여 23 μm⁻¹까지 스핀파 분산을 맵핑하였다.
• 기저층 조성 및 증착 조건에 따라 표면 미세구조 및 결정 구조를 특성화하였다.
• 10 GHz 공명 주파수에서 반폭반폭 폭을 측정하여 비균일한 넓힘과 스핀파 간섭성을 평가하였다.
• 자성공명 공명 피크의 반폭반폭 폭에서 감쇠 계수를 추출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수직 및 평면 내 자기장 설정에서 Co25Fe75 박막에서 달성 가능한 최소 총 감쇠 계수는 얼마인가?
• RQ2 다양한 기저층 조합은 Co25Fe75 박막의 구조적 및 자성 특성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 비균일한 반폭반폭 폭 넓힘은 매크로스코픽 Co25Fe75 박막에서 공명 품질을 어느 정도 제한하는가?
• RQ4 이 박막에서 파수벡터가 23 μm⁻¹까지 증가할 때 스핀파 분산은 어떻게 변화하는가?
• RQ5 박막 두께, 구조와 관측된 초저감쇠 사이의 관계는 어떠한가?

주요 결과

• 수직 방향 총 감쇠 계수는 < 0.0013로 측정되어 매우 낮은 에너지 소산을 나타낸다.
• 평면 내 총 감쇠는 최소 < 0.0020에 도달하여 박막 평면 내 낮은 내재 감쇠를 입증한다.
• 12 nm 두께의 Co25Fe75 박막에서 10 GHz에서 반폭반폭 폭이 1 mT로 측정되어 높은 스핀파 간섭성을 나타낸다.
• 기저층 조합에 따라 평면 내 반폭반폭 폭과 공명 주파수 간의 상당한 변화가 관찰되었다.
• 파수벡터 의존성 브릴루아인 빛산란을 이용해 23 μm⁻¹까지 스핀파 분산을 성공적으로 측정하였다.
• 매크로스코픽 박막에서 낮은 비균일한 반폭반폭 폭 넓힘을 확인하여 고품질의 자성 응답을 뒷받침한다.