[论文解读] 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 11

一句话总结

本研究利用双端固定氮化硅纳米弦谐振器测量了超低阻尼 Co₂₅Fe₇₅ 和 Co₁₀Fe₉₀ 薄膜的磁致伸缩特性。研究报道 Co₂₅Fe₇₅ 的平行磁致伸缩系数为 λ∥ = (−20.68 ± 0.25) × 10⁻⁶，证实其具有强烈的磁致弹性响应，适用于低阻尼自旋子和传感应用。

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.

研究动机与目标

• 量化超低阻尼 Co₂₅Fe₇₅ 和 Co₁₀Fe₉₀ 薄膜的磁致伸缩特性，这些特性对自旋电子学和自旋子应用至关重要。
• 解决块体与薄膜磁致伸缩值之间的差异，特别是薄膜中与块体 CoFe 相比出现的符号反转现象。
• 建立一种高精度测量亚微米尺度、低体积磁性薄膜磁致弹性参数的可靠方法。
• 确认 Co₂₅Fe₇₅ 的超低 Gilbert 阻尼在 Si₃N₄ 基底上得以保持，使其适用于纳米机械器件集成。
• 确定磁致弹性常数 b₁ 并将其与饱和磁化强度和剪切模量等材料参数相关联。

提出的方法

• 采用涂覆多层 CoFe 薄膜堆叠的双端固定 Si₃N₄ 纳米弦谐振器，通过磁致弹性效应引起的机械谐振频率漂移实现信号转导。
• 测量磁化方向依赖的谐振频率 Ω₀(Φ) 随外加磁场方向角 Φ 的变化，利用自由能最小化方法通过关系式 Θ(Φ) = Φ − [K sin(2Φ)] / [−Mₛμ₀H + 2K cos(2Φ)] 将其转换为 Θ。
• 使用理论模型 Ω₀ = π√[(σ₀ + σ₁ cos Θ₂) / (ρₑff L²)] × [1 − 2√(E t² / 12) / (σ₀ + σ₁ cos Θ₂)] 拟合频率漂移，提取因磁化方向改变引起的应力调制 σ₁。
• 通过公式 λ∥ = σ₁ t / (t_CoFe E_CoFe) 计算平行磁致伸缩常数，其中 t_CoFe 和 E_CoFe 分别为 CoFe 薄膜厚度和杨氏模量。
• 利用剪切模量 G 和饱和磁化强度 Mₛ 推导磁致弹性常数 b₁ = −3λ∥G / Mₛ，以量化应变与磁化之间的耦合强度。
• 通过未图案化的 CoFe/Si₃N₄ 样品的铁磁共振（FMR）测量验证低阻尼特性，确认 20 nm 厚 Co₁₀Fe₉₀ 薄膜的 Gilbert 阻尼参数 α = 4.2 ± 0.2 × 10⁻³。

实验结果

研究问题

• RQ1 超低阻尼 Co₂₅Fe₇₅ 薄膜的磁致伸缩常数 λ∥ 是多少？其与块体 CoFe 的关系如何？
• RQ2 尽管在块体晶体中观察到符号反转，Co₂₅Fe₇₅ 薄膜中的磁致伸缩是否仍保持负且较大？
• RQ3 Co₂₅Fe₇₅ 和 Co₁₀Fe₉₀ 薄膜的磁致弹性特性与块体 Co 和 Fe 以及先前通过悬臂梁方法获得的文献值相比如何？
• RQ4 当生长在 Si₃N₄ 基底上时，Co₂₅Fe₇₅ 的超低 Gilbert 阻尼是否得以保持，从而使其适用于纳米机械器件？
• RQ5 所观测到的磁各向异性来源是什么？其与形状各向异性和磁致弹性各向异性相比如何？

主要发现

• 室温下测得 Co₂₅Fe₇₅ 的磁致伸缩常数为 λ∥ = (−20.68 ± 0.25) × 10⁻⁶，表明其具有强烈的负磁致弹性响应。
• 确定 Co₂₅Fe₇₅ 的磁致弹性常数 b₁ 为 2.62 ± 0.05 T，证实其应变与磁化之间具有显著的耦合强度。
• 对于 Co₁₀Fe₉₀，磁致伸缩常数为 λ∥ = (−9.80 ± 0.12) × 10⁻⁶，b₁ = 1.30 ± 0.02 T，表明其磁致弹性响应虽减弱但仍显著。
• 铁磁共振测量结果证实，Co₂₅Fe₇₅ 在 Si₃N₄ 基底上的超低阻尼特性得以保持，20 nm 厚 Co₁₀Fe₉₀ 薄膜的 Gilbert 阻尼参数 α = 4.2 ± 0.2 × 10⁻³。
• 样品的总磁各向异性场估计为 Baniso ≈ 400 mT，其中形状各向异性贡献约 100 mT，单轴各向异性贡献约 300 mT，磁致弹性各向异性贡献约 4 mT。
• 结果表明，Co₂₅Fe₇₅ 薄膜的磁致伸缩值介于块体 Co 和 Fe 之间，但符号与块体 CoFe 相反，凸显了生长条件和微观结构的强烈影响。