[论文解读] Robust perpendicular magnetic anisotropy in Ce substituted yttrium iron garnet epitaxial thin films

Manik Kuila, Archna Sagdeo+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2021

Magneto-Optical Properties and Applications参考文献 45被引用 12

一句话总结

本研究通过脉冲激光沉积法在 GGG(111) 基底上外延生长的 Ce 掺杂 YIG 薄膜中，展示了稳定的垂直磁各向异性（PMA）。PMA 在宽温度范围（高达 400 K）内保持稳定，经 MOKE、FMR 和磁畴成像证实，且可通过薄膜厚度调控，具有强温度稳定性，适用于自旋电子学器件的室温应用。

ABSTRACT

Cerium substituted yttrium iron garnet (Ce:YIG) epitaxial thin films are prepared on gadolinium gallium garnet (GGG) substrate with pulsed laser deposition (PLD). It is observed that the films grown on GGG(111) substrate exhibit perpendicular magnetic anisotropy (PMA) as compared to films grown on GGG(100) substrate. The developed PMA is confirmed from magneto-optical Kerr effect, bulk magnetization and ferromagnetic resonance measurements. Further, the magnetic bubble domains are observed in the films exhibiting PMA. The observations are explained in terms of the growth direction of Ce:YIG films and the interplay of various magnetic anisotropy terms. The observed PMA is found to be tunable with thickness of the film and a remarkable temperature stability of the PMA is observed in all the studied films of Ce:YIG deposited on GGG(111) substrate.

研究动机与目标

• 在 Ce:YIG 外延薄膜中稳定垂直磁各向异性（PMA），因其稀有且通常在室温下不稳定。
• 研究基底取向（GGG(100) 与 GGG(111)）和沉积参数对 PMA 形成的影响。
• 确定 Ce:YIG 薄膜中 PMA 的起源，特别是生长诱导各向异性和应变的作用。
• 评估 PMA 的温度稳定性，以评估其在自旋电子学和磁光器件中室温应用的潜力。
• 通过多技术表征（XRR、RSM、AFM、MOKE、FMR）关联结构、磁性和光学性能。

提出的方法

• 采用脉冲激光沉积（PLD）在 GGG(111) 和 GGG(100) 基底上生长 Ce:YIG 薄膜，基底温度固定为 780 °C，O₂ 分压为 110 mTorr。
• 利用 X 射线反射率（XRR）和倒空间映射（RSM）测定薄膜厚度、粗糙度和晶格参数。
• 原子力显微镜（AFM）证实表面光滑，均方根粗糙度 <1 nm。
• 在不同温度（80–460 K）下进行纵向磁光克尔效应（P-MOKE）测量，以检测 PMA 并测量内禀矫顽力。
• 通过改变极角进行铁磁共振（FMR）测量，以确认磁各向异性和提取各向异性场。
• 利用克尔显微镜成像磁泡畴结构，以可视化 PMA 的稳定性及随温度变化的畴演化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在优化的 PLD 条件下，生长于 GGG(111) 基底上的 Ce:YIG 是否表现出稳定的垂直磁各向异性（PMA）？
• RQ2 基底取向（GGG(111) 与 GGG(100)）如何影响 Ce:YIG 薄膜中 PMA 的形成？
• RQ3 Ce:YIG 薄膜中 PMA 的温度稳定性如何？是否可在室温及以上温度保持稳定？
• RQ4 PMA 的主要贡献来自何处——磁致弹性各向异性（KME）、生长诱导各向异性（KGROWTH）还是应变效应？
• RQ5 薄膜厚度如何影响具有 PMA 的 Ce:YIG 薄膜的矫顽力和磁泡畴特征？

主要发现

• 在 GGG(111) 基底上生长的 Ce:YIG 薄膜表现出稳定的 PMA，经 P-MOKE、FMR 和磁畴成像证实，而在 GGG(100) 基底上生长的薄膜则无 PMA。
• PMA 在高达 400 K 的温度范围内保持稳定，未观察到向平面内各向异性的转变，与以往报道在约 173 K 时发生转变的结果相反。
• 矫顽力（HC）随温度降低而增加，从 400 K 时的约 10 mT 上升至 80 K 时的约 25 mT，表明低温下磁稳定性增强。
• 在 PMA 薄膜中可清晰观察到磁泡畴，65 nm 厚薄膜的泡尺寸在 80 K 至 400 K 范围内几乎保持不变，表明具有优异的热稳定性。
• 由弹性常数计算得到的磁致弹性各向异性能（KME）过低（0.50–0.82 kJ/m³），无法解释观测到的 PMA，表明生长诱导各向异性（KGROWTH）起主导作用。
• PMA 可通过薄膜厚度调控，30 nm 和 65 nm 厚薄膜表现出强 PMA，而 10 nm 厚薄膜仅通过 KGROWTH 产生 PMA，因应变可忽略。