劉 二，翟 亞，徐 鋒

(1.南京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)(2.東南大學(xué)物理系，江蘇 南京 210089)

高取向Fe3O4薄膜中織構(gòu)誘導(dǎo)的自旋輸運和磁化動力學(xué)

劉 二1, 2，翟 亞2，徐 鋒1

(1.南京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)(2.東南大學(xué)物理系，江蘇 南京 210089)

多晶材料的性能受到其晶粒群形貌及結(jié)構(gòu)參數(shù)如晶粒取向分布函數(shù)的嚴(yán)重影響，這種影響在具有各向異性晶體結(jié)構(gòu)的多晶薄膜以及多晶薄膜的電學(xué)性能方面表現(xiàn)得尤為突出，比較有代表性的例子就是Fe3O4磁性薄膜。作為一種典型的半金屬，F(xiàn)e3O4由于在費米面處理論上100%的自旋極化率以及適中的電阻率，成為半導(dǎo)體自旋電子學(xué)領(lǐng)域的熱門材料。針對Fe3O4薄膜制備中經(jīng)常出現(xiàn)的(111)取向生長模式，介紹了Fe3O4薄膜中織構(gòu)結(jié)構(gòu)相關(guān)的自旋輸運及磁化動力學(xué)(磁各向異性)性能的研究進展。

Fe3O4薄膜；鐵磁共振；磁織構(gòu)各向異性；正磁阻效應(yīng)；自旋輸運

Abstract：The properties of polycrystalline materials are strongly determined by structural and morphological parameters of the grain population such as the orientation distribution function. This effect becomes especially important if the material exhibits an anisotropic crystal structure or in the case of electronic properties of thin films, such as a typical material system—magnetite Fe3O4films. As a typical half metallic material, Fe3O4magnetic films have attracted much attention in semiconductor spintronics due to its appropriate conductivity and theoretically 100% spin polarization at Femi level. As (111) texture is a common structure in Fe3O4films, the paper introduced the current studies on (111)-textured correlated spin transport and magnetic dynamics (magnetic anisotropy) in Fe3O4films.

Key words：Fe3O4film; ferromagnetic resonance; magneto-texture anisotropy; inverse MR effect; spin transport

1 前 言

隨著現(xiàn)代信息科技的高速發(fā)展，對電子器件小型化的要求越來越高，因而納米尺度的薄膜材料也逐漸成為構(gòu)建電子器件的重要組成部分。而薄膜材料的性能受到晶粒群形貌及結(jié)構(gòu)參數(shù)如晶粒取向分布函數(shù)的影響。作為一種常見的晶粒取向分布函數(shù)，織構(gòu)(或者擇優(yōu)取向生長)很大程度上決定著薄膜的諸多性能，如電導(dǎo)率、磁化動力學(xué)等，并且在這些性能的各向異性方面的影響尤為突出[1,2]，其中一個比較典型的例子就是Fe3O4薄膜。

作為當(dāng)前熱門的自旋電子學(xué)材料，F(xiàn)e3O4薄膜具有費米面處理論上100%的自旋極化率以及較高的居里溫度[3]，非常適合作為半導(dǎo)體材料的自旋注入源，進而有希望和當(dāng)代的信息技術(shù)相結(jié)合以實現(xiàn)下一代的自旋電子學(xué)器件，如自旋場效應(yīng)晶體管等[4,5]。近年來，國內(nèi)外科學(xué)家在Fe3O4研究方面投入了大量的精力，在Fe3O4中也開發(fā)出了各種各樣的新效應(yīng)，如自旋塞貝克效應(yīng)[6]、自旋濾波效應(yīng)[7]以及門電壓誘導(dǎo)相變等[8]。相應(yīng)的研究也催生了種類繁多的Fe3O4薄膜的制備方法，如脈沖激光沉積法、磁控濺射法等。上述方法制備的Fe3O4薄膜經(jīng)常出現(xiàn)薄膜法線沿著[111]晶軸的擇優(yōu)取向生長模式[9-12]。而[111]晶軸剛好是Fe3O4磁化易軸方向，因此這種(111)織構(gòu)結(jié)構(gòu)必然會對Fe3O4薄膜乃至相關(guān)自旋電子學(xué)器件的性能產(chǎn)生影響。本文基于(111)織構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點，重點介紹了一種通過面外角度依賴的鐵磁共振手段測定(111)織構(gòu)對Fe3O4薄膜磁各向異性貢獻的理論和實驗方法，以及Fe3O4薄膜中織構(gòu)結(jié)構(gòu)相關(guān)自旋輸運性能的最新研究結(jié)果。

2 高取向Fe3O4磁性薄膜

2.1 薄膜的制備工藝

脈沖激光沉積法(PLD)是最為常見的氧化物薄膜制備方法。Fe3O4薄膜通常沉積在Si(100)基底上。在沉積薄膜前，需要對基底進行清洗?；诪楸菊鞴瑁瑹o摻雜。切出尺寸為1 cm×1 cm 硅基底，先后用丙酮、乙醇和去離子水超聲清洗30 min去除表面的有機及無機物，然后將基底轉(zhuǎn)移到H2SO4∶H2O2∶H2O約為4 ∶1 ∶1的混合溶液中清洗30 s去除基底表面的SiO2層，另外這一步處理還可以使得基底表面更平整。之后用去離子水清洗基底后用氮氣吹干。 最后將Si基底放入PLD主腔，在2×10-4Pa真空環(huán)境下加熱基底至 600 ℃。然后開始薄膜的沉積過程：實驗用靶材為自制的α-Fe2O3靶，激光頻率保持為10 Hz，能量為300 mJ，采用恒能模式，沉積結(jié)束后繼續(xù)在600 ℃下保溫10 min，使得制備的薄膜結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。

2.2 結(jié)構(gòu)及成分分析

圖1b給出了樣品橫截面的亮場TEM照片，從中測得樣品的厚度為50 nm左右。插圖為Si襯底的快速傅里葉變換(FFT)花樣，表明襯底表面為(100)晶面。圖1b中亮暗相間的區(qū)域代表不同的晶粒，也說明樣品為多晶薄膜，這一點可以進一步地通過高分辨透射電鏡照片(HRTEM)確認。圖1c, 1d和1e分別為圖1b中標(biāo)注的C, D和E區(qū)域的HRTEM照片。通過分析圖1c插圖給出的FFT花樣，可以測定C區(qū)域的二維的晶格條紋近似于沿著<110>晶軸。而D區(qū)域的晶格條紋卻是一維的，并且遠離晶軸。盡管如此，在薄膜法向方向，兩個區(qū)域內(nèi)的晶面都屬于(111)面，也就是說薄膜樣品是高度取向的，這點與XRD的分析結(jié)果相一致。但是需要強調(diào)的是薄膜依然是多晶的，因為在面內(nèi)區(qū)域，每個晶粒的取向確是隨機分布的。圖1e給出了晶界處，也就是圖1b中E區(qū)域的HRTEM照片，可以看到二維的晶格條紋和一維的晶格條紋分布在晶界兩側(cè)，并且晶界兩側(cè)晶粒的(111)面是互相平行的。

圖1 Fe3O4 薄膜的結(jié)構(gòu)表征: (a) Fe3O4薄膜的X射線衍射花樣；(b) 橫截面亮場TEM照片；(c) 和 (d) 圖1b中C和D區(qū)域晶粒的高分辨透射電鏡照片，插圖為相應(yīng)的FFT花樣；(e) 晶界區(qū)域高分辨透射電鏡照片F(xiàn)ig.1 Structural analysis of Fe3O4 film: (a) X-ray diffraction pattern of as prepared film; (b) Cross-sectional bright-field TEM image of the film on Si; (c) and (d) High resolution TEM images of different Fe3O4 nanograins marked in C and D areas in Fig. 1b and their corresponding fast Fourier transformation (FFT) patterns (the insets); (e) High resolution TEM image of a grain boundary

利用原子力顯微鏡可以觀察薄膜的表面形貌，如圖2所示。圖2a顯示薄膜的表面由25 nm 左右的細小晶粒構(gòu)成，而圖2b的三維表面形貌照片則證明了薄膜的表面由一系列柱狀生長的納米晶組成，很像大量長短不一的納米線團簇在一起，使得薄膜的表面非常粗糙。

圖2 原子力顯微鏡拍攝的Fe3O4薄膜的表面形貌照片(a)和三維表面形貌照片(b)Fig.2 Surface image of as prepared Fe3O4 film (a) and 3D surface plot of as prepared Fe3O4 film (b) observed by AFM

薄膜的成分分析可以借助于X射線磁圓二色儀(XMCD)來完成。XMCD是通過計算入射左旋及右旋圓偏正X射線吸收峰的差值得到的[14-16]。圖3給出了室溫下樣品FeL2, 3邊的X射線吸收譜(XAS)以及XMCD譜圖。圖中亞鐵磁多重結(jié)構(gòu)的FeL2,3XAS 和 XMCD特征譜來源于氧四面體位的Fe3+離子以及氧八面體位置的 Fe2+和 Fe3+離子[17]，和Fe3O4的標(biāo)準(zhǔn)特征譜相吻合。需要指出的是， XMCD譜圖也進一步排除了薄膜中可能存在的γ-Fe2O3相，因為在γ-Fe2O3的XMCD特征譜中，并不存在對應(yīng)于氧八面體位置的Fe2+離子的特征峰[18,19]。因此XMCD譜圖給出了直接的證據(jù)表明薄膜樣品成分近似于塊材Fe3O4。

圖3 Fe3O4的XAS以及XMCD譜圖Fig.3 XAS and XMCD spectrum of as prepared Fe3O4 film

3 高取向薄膜中的反常正磁阻效應(yīng)

Fe3O4通常會表現(xiàn)出負磁阻效應(yīng)，也就是電阻隨著外加磁場的增加而減小。因為通常情況下對于多晶薄膜或者壓片的Fe3O4顆粒，其電阻主要由本征電阻和晶界隧穿電阻兩部分組成。本征電阻由氧八面體位置上Fe2+離子和 Fe3+之間小極化子的躍遷決定的，而外加磁場被認為會使得極化帶增寬，從而使得電阻降低，也就是說本征電阻的磁阻效應(yīng)應(yīng)該是負的。至于晶界隧穿效應(yīng)引起的磁電阻，類似于巨磁電阻效應(yīng)，也是負的。所以通常情況下Fe3O4多晶薄膜總的磁阻效應(yīng)應(yīng)該是負的。盡管如此，F(xiàn)e3O4的正磁阻效應(yīng)還是被零星的報道過，例如在單根Fe3O4納米線[7]以及一定壓強下壓片的Fe3O4粉末樣品[20]中均發(fā)現(xiàn)過正磁阻效應(yīng)。這種反常效應(yīng)通常用自旋濾波效應(yīng)來解釋。而最新的研究表明在PLD方法制備的高取向Fe3O4多晶薄膜中也發(fā)現(xiàn)了類似的現(xiàn)象[21]。

圖4a給出了該Fe3O4薄膜在300 K 以及100 K時的磁化曲線。在兩個溫度下，樣品的飽和場都在5000 Oe左右。300 K時樣品的飽和磁化強度(Ms) 約為450 emu/cm3，稍低于塊材Fe3O4的Ms (471 emu/cm3)。此時矯頑場為330 Oe，而100 K時樣品矯頑場增加到513 Oe。 增加的矯頑場可能跟低溫下增強的磁各向異性有關(guān)。

薄膜樣品的磁輸運測量采用四探針法，電流和磁場均加在薄膜面內(nèi)，外加磁場最大為9000 Oe。因為電阻最小值出現(xiàn)在矯頑場處，所以定義磁電阻MR為[ρ(H)-ρ(Hc)]/ρ(Hc)]， 其中ρ(H)、ρ(Hc)分別為外加磁場下和矯頑場下的電阻率。圖4b給出了300 K和100 K時的縱向磁電阻(LongitudinalMR，電流//磁場)和橫向磁電阻 (TransverseMR，電流⊥磁場)曲線，從圖中可以看到在300 K和100 K溫度下，樣品的磁電阻均為正的，并且在50000 Oe外場下從1.73%增加到9.45%。盡管測得的磁電阻曲線很反常，在低場下依然可以用表述晶界隧穿磁電阻行為的關(guān)系式：MR=A(M/MS)2進行擬合。其中300 K和100 K時A分別取0.002和0.011，擬合結(jié)果見圖4和圖4d，在低場下和實驗數(shù)據(jù)符合較好。但是擬合系數(shù)A為正值，而通常文獻報道的系數(shù)均為負值，這表明說明薄膜中可能存在除了晶界隧穿效應(yīng)之外其他的傳輸機制。另外在高場下，樣品的電阻卻依然隨著磁場的增加而增加，并且在50000 Oe的磁場下依然沒有飽和，盡管其M-H的飽和場只有4600 Oe左右，這也無法用晶界隧穿效應(yīng)進行解釋。

由于縱向磁阻曲線和橫向磁阻曲線均為正值，所以觀察到的反常磁電阻行為無法用各向異性磁電阻現(xiàn)象進行解釋。此外，磁場產(chǎn)生洛倫茲力導(dǎo)致的電阻增強效應(yīng)(常磁阻效應(yīng)，ordinary MR)也無法對當(dāng)前的正磁電阻效應(yīng)進行解釋，因為只有當(dāng)ωcτ> 0.1,洛倫茲力相關(guān)的磁阻貢獻才可以被觀測到，而對于Fe3O4，其ωcτ～10-5, 因此可以排除常磁阻效應(yīng)的貢獻[22,23]。

圖4 Fe3O4薄膜樣品的磁化及磁阻曲線: (a) 300 K 和 100 K 時的磁滯回線(插圖為低場下的磁滯回線)； (b) 300 K 和 100 K 下的磁阻曲線(插圖為磁場與電流垂直時的磁電阻曲線)； (c) 和 (d) 300 K 和 100 K下低場磁阻實驗值(點)以及相應(yīng)的擬合曲線Fig.4 M-H and MR curves at different temperature: (a) Magnetization curve at 300 K and 100 K (The insert is the low field M-H curve), (b) Longitudinal MR behavior at 300 K and 100 K, the inset shows the transverse MR at 300 K, (c) and (d) Low field MR data (symbols) and the simulated result (solid line) at 300 K and 100 K, respectively

一種新穎的導(dǎo)電機制被用來解釋觀察到的反常磁阻現(xiàn)象。由于樣品是高度取向生長的，組成薄膜的納米晶都是垂直于襯底柱狀生長的(見圖1)，并且從其表面形貌(圖2)可以觀察到納米晶在薄膜法線方向長短不一，因此可以將薄膜近似看作無數(shù)長短不一納米線的集合體。由于納米晶長短不一導(dǎo)致樣品表面相對粗糙，因此載流子在表面?zhèn)鬏斢龅捷^強的散射作用是可以預(yù)見的，所以可以認為相對于直接在薄膜表面?zhèn)鬏?，載流子更有可能先注入線狀納米晶內(nèi)，然后在膜內(nèi)部傳輸(見圖5a)。因此輸運過程可以近似為線狀納米晶內(nèi)傳輸和晶界隧穿/散射的串聯(lián)電路，于是總電阻可以寫成式(1)：

(1)

其中σtotal、σl和σt分別為總電導(dǎo)、線狀納米晶內(nèi)的電導(dǎo)以及晶界隧穿電導(dǎo)。因此可以得到磁阻MR的表達式，如式(2)：

(2)

其中σl(0)和σt(0)為零場時線狀納米晶內(nèi)的電導(dǎo)和晶界隧穿電導(dǎo)，σt(H)和σt(H)為外加磁場下線狀納米晶內(nèi)的電導(dǎo)和晶界隧穿電導(dǎo)。MRl和MRt分別為線狀納米晶內(nèi)自旋濾波效應(yīng)引起的磁電阻以及晶界隧穿效應(yīng)導(dǎo)致的磁電阻。納米線內(nèi)自旋濾波效應(yīng)引起的磁電阻，由Liao等人[7]在單根單晶Fe3O4納米線內(nèi)發(fā)現(xiàn)，這里可以認為此效應(yīng)同樣適用于高取向Fe3O4薄膜的線狀納米晶中。由于Fe3O4具有高的負自旋極化率，在外場下Fe3O4內(nèi)的傳導(dǎo)電子主要是由自旋向下的電子，但是從電極中注入的電子是非自旋極化的，使得電極中注入的一半電子，也就是自旋向上電子在電極與Fe3O4界面處經(jīng)歷了強的散射(高阻態(tài))。而零場下無論自旋向上還是自旋向下的電子都可以注入到Fe3O4納米晶中(低阻態(tài))。因此由自旋濾波效應(yīng)導(dǎo)致的磁電阻MRl應(yīng)該是正的。至于晶界隧穿磁阻MRt，類似于巨磁電阻效應(yīng)，通常為負的。所以總的磁電阻MR的符號取決于式(2)中第一項以及第二項之間的競爭，或者說由MRl、MRt以及它們前面的系數(shù)共同決定。于是可以推斷，當(dāng)σt(0)足夠大時，或者說晶界散射效應(yīng)引起的電阻較小時，總的磁阻就可能是正的。事實上根據(jù)樣品的I-V特性曲線(見圖5b)計算得到的樣品室溫下總電阻只有0.5×10-4Ωm，比大多數(shù)文獻報道中的多晶Fe3O4薄膜[9,24,25]的電阻值小1～3個數(shù)量級。如此小的電阻說明制備的薄膜結(jié)晶較好，晶界散射電阻較低，從而導(dǎo)致σt(0)增大，磁阻中正分量增加，負分量減小，進而導(dǎo)致總的磁電阻為正的。而大多數(shù)情況下晶界散射引起的電阻都比較大，或者說σt(0)都比較小，因此式(2)中的第一項正磁阻分量可以忽略，這可能是通常在多晶Fe3O4薄膜中只觀測到負磁阻現(xiàn)象的原因。

圖5 高取向Fe3O4 薄膜載流子面內(nèi)傳導(dǎo)機制示意圖(a)；高取向Fe3O4 薄膜的I-V 特性曲線(b)Fig.5 Illustration of proposed conduction mechanism for textured Fe3O4 film (a); I-V characterization curve for textured Fe3O4 film (b)

4 織構(gòu)誘導(dǎo)的磁各向異性

4.1 面外鐵磁共振測量及理論擬合

作為一種精確測量薄膜體系磁化動力學(xué)的技術(shù)手段，鐵磁共振可以基于薄膜體系的自由能密度信息定量給出各種磁各向異性的貢獻。對于多晶薄膜而言，其自由能密度通常由塞曼能、退磁場能以及垂直各向異性能構(gòu)成。而在單晶薄膜體系中，由于晶格對稱性，還必須考慮磁晶各向異性能的貢獻。類似的，對于取向生長這種特殊的多晶薄膜體系，由于其面外方向晶格排布的高度有序性，織構(gòu)誘導(dǎo)的磁各向異性能也應(yīng)該對體系的自由能密度有所貢獻。

為了研究織構(gòu)對薄膜磁各向異性的影響，對不同厚度Fe3O4薄膜進行了面外鐵磁共振測量(FMR)。圖6給出了外磁場沿面外不同角度的所有樣品的FMR微分譜線，將外磁場沿每個角度的譜線的共振場(即譜線等于0處的磁場大小)讀出，就可以得到共振場與薄膜面外方向的角度依賴關(guān)系。這里定義θH=0°為薄膜法線方向，θH=90°為薄膜面內(nèi)。從圖6可以看出θH=0°處的共振場隨著薄膜厚度的增加向薄膜法線方向偏移，而θH= 90°的共振場卻幾乎不變。為了得到詳細的磁各向異性分布情況，采用Smit-Beljers方法[26]對共振場隨面外角度變化的實驗數(shù)據(jù)進行了擬合，并且通過解Landau-Lifshitz[27]方程可以得到共振條件為：

(3)

其中ω為共振頻率，γ為包含有g(shù)因子的旋磁比。M為飽和磁化強度，F(xiàn)為自由能密度。θ為磁化矢量和薄膜法線方向的夾角，φ為磁化矢量在面內(nèi)投影相對于面內(nèi)易軸方向的夾角。這里M取塊材Fe3O4的數(shù)值，所以只要給定系統(tǒng)的總自由能密度表達式，就可以通過式(3)推導(dǎo)出相應(yīng)磁性參數(shù)之間的關(guān)系并對FMR的數(shù)據(jù)進行擬合。由于樣品是多晶薄膜，因此首先考慮多晶薄膜的自由能密度表達式：

(4)

公式的第一項為塞曼能，第二項為薄膜退磁場能，第三項和第四項為薄膜表面垂直各向異性能。其中K⊥1和K⊥2分別為一級及二級垂直各向異性常數(shù)。結(jié)合式(3)和式(4)，就可以求出共振場Hres隨面外角度的依賴關(guān)系以及相應(yīng)的平衡位置的角度θH。圖7給出了相應(yīng)的擬合曲線。意外的是所有樣品的擬合曲線和實驗數(shù)值都存在一定的偏差，而且這種偏差隨著膜厚的增加而越發(fā)明顯。由于膜越厚，其織構(gòu)結(jié)構(gòu)就越明顯，這種擬合偏差是由于在系統(tǒng)的自由能公式中沒有考慮織構(gòu)誘導(dǎo)的磁各向異性造成的。盡管如此，對于立方結(jié)構(gòu)的磁性薄膜，(111)織構(gòu)誘導(dǎo)的磁各向異性能目前還沒有完整的表達式。

圖6 不同厚度Fe3O4 薄膜的面外鐵磁共振圖譜Fig.6 Out-of-plane angular dependence of FMR spectra of Fe3O4 films with different thicknesses

圖7 鐵磁共振中樣品尺寸及磁化平衡位置示意圖(a)，10，30以及50 nm厚度Fe3O4薄膜的面外不同角度下的共振場數(shù)據(jù)及相應(yīng)的擬合曲線(b～d)Fig.7 Ferromagnetic resonance: sample geometries and relative orientations of equilibrium magnetization (a), out-of-plane angular dependence of resonance field obtained from measurement (blue circle) and simulation for 10, 30 and 50 nm-thick Fe3O4 films (b～d)

4.2 磁織構(gòu)各向異性及其表達式

根據(jù)TEM及XRD對織構(gòu)薄膜的結(jié)構(gòu)的表征結(jié)果，可以從磁晶各向異性能公式中推導(dǎo)出織構(gòu)誘導(dǎo)的磁各向異性能表達式。對于立方結(jié)構(gòu)的薄膜，其磁晶各向異性能表達式為式(5)[28]：

(6)

于是就得到新舊坐標(biāo)系中方向余弦的關(guān)系式，如式(7)所示：

(7)

圖8 (111)織構(gòu) Fe3O4薄膜晶粒結(jié)構(gòu)示意圖(a)；新建立的坐標(biāo)系(x′, y′, z′) 與舊的坐標(biāo)系示意圖(b)，其中z′//[111]Fig.8 Schematic illustration of the (111)-textured Fe3O4 film structure (a) and new cubic coordinate system (x′, y′, z′) with x′//[10] and z′//[111] (b)

(8)

公式(8)適用于薄膜法線方向為(111)晶面的單晶薄膜，但是對于(111)織構(gòu)的多晶薄膜，在薄膜面內(nèi)納米晶的取向是隨機分布的，因此必須對公式(8)中包含φ的項取平均值，變換方程如式(9)：

(9)

(10)

H[sinθcosθH-cosθsinθHcos(φ-φH)]-4πMeffsinθcosθ+Ht1(2sin 2θ+7sin 4θ)+Ht2(2sin 2θ+6sin 4θ+6sin 6θ)=0

(11)

當(dāng)H沿薄膜面外，求解公式(3)得到式(12)：

(12)

根據(jù)式(12)重新計算和擬合了(111)織構(gòu)的Fe3O4薄膜共振場Hres隨面外角度θH的依賴關(guān)系曲線，擬合結(jié)果如圖9a, 9b 和 9c 中的灰線所示。為了便于比較，同時給出了用舊的自由能密度公式得到的擬合結(jié)果(圖9a, 9b 和 9c 中的黑線)。從圖9可以看出，引入了磁織構(gòu)各向異性能公式之后的擬合結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)吻合很好，擬合得到的具體磁性參數(shù)值列于表1。圖9a～c中插圖給出了10～50 nm厚度薄膜的三維表面形貌照片，其可以很形象地解釋易面內(nèi)變?nèi)醯脑?。從插圖中可以觀察到隨著薄膜厚度的增加，柱狀生長的納米晶也越來越明顯，從而誘導(dǎo)出易柱長方向(薄膜法線)的各向異性。除此之外，磁織構(gòu)各向異性常數(shù)都隨著薄膜厚度的增加而增加，表明薄膜的織構(gòu)結(jié)構(gòu)隨著膜厚逐漸增強。另外需要指出的是二階磁織構(gòu)各向異性項在擬合的過程中不可或缺，圖9d給出了二階磁織構(gòu)各向異性項的極圖，可以看到屬于典型的六度對稱磁各向異性。

表1 通過擬合FMR 數(shù)據(jù)得到的織構(gòu) Fe3O4 薄膜的磁性參數(shù)

5 結(jié) 語

Fe3O4薄膜由于其優(yōu)良的特性成為制備新一代半導(dǎo)體自旋電子學(xué)器件的理想材料。而薄膜內(nèi)部的晶粒群形貌及結(jié)構(gòu)參數(shù)如晶粒取向分布函數(shù)很大程度上決定著薄膜乃至相關(guān)器件的諸多性能，如電導(dǎo)、磁化動力學(xué)等，并且對這些性能的各向異性方面的影響尤為突出。本文針對Fe3O4薄膜制備中經(jīng)常出現(xiàn)的(111)取向生長模式，介紹了一種根據(jù)面外變角度鐵磁共振實驗定量測定這種(111)

圖9 10，30以及50 nm厚度Fe3O4薄膜的面外不同角度下的共振場數(shù)據(jù)及相應(yīng)的擬合曲線(a～c)，藍點為測量得到實驗值，虛線為沒有引入磁織構(gòu)各向異性時的擬合曲線，實線為引入磁織構(gòu)各向異性后的擬合曲線；二階磁織構(gòu)各向異性項的極圖(d)Fig.9 Out-of-plane angular dependence of resonance field obtained from measurement (blue circle) and simulation with magneto-texture anisotropy ( solid line) and without magneto-texture anisotropy (dashed dot line) for (a) 10 nm, (b) 30 nm and (c) 50 nm-thick Fe3O4 films, the corresponding three dimension surface morphologies are shown in the inserts; Polar diagram of the second order magneto-texture anisotropy energy (d)

織構(gòu)對薄膜磁各向異性貢獻的理論和實驗方法。 通過引入新的物理量——磁織構(gòu)各向異性可以很好地對傳統(tǒng)的多晶薄膜自由能密度公式進行修正，從而更精確地測定高取向薄膜中的各種磁各向異性。 此外，對織構(gòu)相關(guān)的自旋輸運方面的最新研究結(jié)果也進行了介紹。

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(編輯 惠 瓊)

專欄特約編輯徐 鋒

徐鋒：男，1978年生，教授，博導(dǎo)。江蘇省杰出青年基金獲得者、江蘇省青藍工程中青年學(xué)術(shù)帶頭人。主要從事金屬磁性功能材料領(lǐng)域的相關(guān)研究，包括高頻軟磁合金、稀土永磁合金、磁結(jié)構(gòu)相變合金以及自旋輸運等。任IEEE協(xié)會磁學(xué)協(xié)會南京分會主席、中國電子學(xué)會磁學(xué)分會高級會員、江蘇省顆粒學(xué)會常務(wù)理事、南京市硅酸鹽協(xié)會理事等。先后主持國家自然科學(xué)基金項目(面上、青年)3項、江蘇省杰出青年基金項目、“973”子專題項目、江蘇省產(chǎn)學(xué)研前瞻性聯(lián)合研究項目等。發(fā)表和合作發(fā)表SCI論文100余篇，授權(quán)發(fā)明專利7項。獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎1項、

特約撰稿人徐桂舟

省部級科技一等獎2項、第16屆中國專利獎優(yōu)秀獎、2014年中國產(chǎn)學(xué)研合作創(chuàng)新成果獎等。

徐桂舟：女，1988年生，博士，講師。2015年于中國科學(xué)院物理研究所獲博士學(xué)位，現(xiàn)為南京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院講師。主要從事基于Heusler和MMX六角磁性合金的半金屬性、自旋零能隙半導(dǎo)體、磁斯格明子及相關(guān)的磁輸運行為研究，并結(jié)合理論計算對材料的電子、磁性結(jié)構(gòu)進行深入的探討。至今在AdvancedMaterials,AppliedPhysicsLetters,PhysicalReviewB,ScientificReports等國際學(xué)術(shù)期刊發(fā)表文章30余篇，被引用100余次。承擔(dān)國家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)青年基金等多個科研項目，并承擔(dān)相關(guān)國際期刊和會議的審稿工作。

特約撰稿人劉 二

劉二：男，1986年生，博士，講師。2015年于東南大學(xué)物理系獲博士學(xué)位，現(xiàn)為南京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院講師。主要從事基于磁性金屬、磁性氧化物材料的磁化動力學(xué)及相關(guān)的磁輸運行為研究。迄今在ScientificReports，AppliedPhysicsLetters，JournalofAlloysandCompounds等期刊發(fā)表多篇論文。承擔(dān)國家自然科學(xué)青年基金、江蘇省自然科學(xué)青年基金等多個科研項目，并承擔(dān)相關(guān)國際期刊和會議的審稿工作。

龔元元：男，1987年生，博士，講師。2015年于南京大學(xué)獲理學(xué)博士學(xué)位，現(xiàn)任南京理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院講師。主要從事磁相變合金的研究，重點研究磁場誘導(dǎo)相變發(fā)生的伴隨效應(yīng)，如磁熱效應(yīng)和磁致應(yīng)變效應(yīng)。承擔(dān)國家自然科學(xué)青年基金1項，江蘇省自然科學(xué)青年基金1項。先后以第一作者身份在AdvancedMaterials，ActaMaterialia，ScriptaMaterialia等國際重要學(xué)術(shù)刊物發(fā)表多篇文章，其中SCI收錄4篇。

特約撰稿人龔元元

馬勝燦：男，1972年生，博士，江西理工大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師，江西理工大學(xué)工程研究院稀土磁性材料及器件研究所磁性相變合金方向?qū)W術(shù)帶頭人。2011年6月畢業(yè)于南京大學(xué)物理學(xué)院凝聚態(tài)物理專業(yè)，

特約撰稿人馬勝燦

取得理學(xué)博士學(xué)位；2013年9月至2014年8月到臺灣國立中正大學(xué)物理系做博士后研究，2016年9月至今在江西理工大學(xué)工作。相關(guān)工作已經(jīng)在ActaMaterialia,ApplPhysLett,JApplPhys,JPhysD:ApplPhys,JPhys:CondensMatter,JAlloysCompd,EurPhysJB等國內(nèi)外學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表SCI論文近50篇，授權(quán)國家發(fā)明專利1項；主持2項國家自然科學(xué)基金項目；多次參加國內(nèi)外重要學(xué)術(shù)會議并受邀做報告。具體研究領(lǐng)域：①相變合金磁相變調(diào)控及其功能性質(zhì)研究；②新型磁制冷材料研發(fā)；③納米磁性材料制備及其功能性質(zhì)研究；④磁性合金薄膜制備及其功能性質(zhì)研究。

Texture Induced Spin Transport and Magnetic Dynamics in High Oriented Growth Fe3O4Films

LIU Er1, 2, ZHAI Ya2, XU Feng1

(1.School of Materials Science and Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)(2.Department of Physics, Southeast University, Nanjing 210089, China)

徐 鋒，男，1978年生，教授，博士生導(dǎo)師，Email: xufeng@njust.edu.cn

O469

A

1674-3962(2017)09-0625-09

2017-01-20

國家自然科學(xué)基金資助項目(51601093)

劉 二，男，1986年生，講師

10.7502/j.issn.1674-3962.2017.09.03