通过调整CoFeB薄膜的厚度和基底材料，操控其超快退磁及进动动态过程

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Steering ultrafast demagnetization and precession dynamics in CoFeB films via thickness and substrate modulation

　　高建文|张润华|王金山|童丽萍|葛明莉|孟卫东|周晓伟|刘竹|任洋
中国云南省昆明市云南大学物理与天文学院，邮编650091

**摘要**
控制铁磁薄膜中的超快磁化动力学对于推进自旋电子技术至关重要。在本研究中，我们利用时间分辨磁光克尔效应（TR-MOKE）系统地研究了不同基底（蓝宝石、玻璃、硅、砷化镓）对非晶CoFeB薄膜超快退磁时间（τM）和吉尔伯特阻尼系数（α）的影响。我们发现，在给定基底的情况下，τM随薄膜厚度变化而保持不变，主要受CoFeB固有电子-自旋耦合的控制。相比之下，阻尼系数α随薄膜厚度的增加而减小，这归因于两磁子散射的抑制以及较厚薄膜中磁均匀性的提高。我们的实验和理论分析表明，这些动态参数可以通过基底属性进行调节。对于特定厚度，τM主要受基底表面粗糙度的影响；而α则由表面粗糙度与热导率之间的竞争决定。这些发现为优化基于CoFeB的超快磁存储器和逻辑器件的性能提供了基本见解和实用指导。

**引言**
非晶CoFeB薄膜作为自旋电子器件（如自旋转移矩磁随机存取存储器（STT-MRAM）、磁逻辑器件和磁场传感器）的首选材料受到了广泛关注[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。这种偏好源于其优越的性能，包括较低的吉尔伯特阻尼常数（α）和高自旋极化率[6]、[7]。作为控制磁化对施加场响应时间的基本参数，α直接决定了自旋电子器件的操作速度[8]、[9]、[10]。因此，全面理解和精确控制α以及其他动态参数（如f）对于推动自旋电子技术的发展至关重要。

大量研究表明，α对多种外在因素具有很强的依赖性，包括薄膜厚度[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、表面/界面质量[16]、微观结构特性[17]、[18]、相邻层[19]、[20]以及基底[21]、[22]、[23]。其中，基底起着特别关键的作用。最近的铁磁共振（FMR）和矢量网络分析仪研究揭示了基底对进动频率（f）和α的显著影响[21]、[22]、[24]。例如，Kumar等人[22]报告了溅射CoFeB薄膜的α与基底粗糙度的关联，而Xie等人[21]将CoFeB的矫顽力和α的增加直接归因于NaOH刻蚀硅基底的粗糙度提高。此外，使用SiO2基底并结合溅射工艺可以获得极低的阻尼：Conca等人[25]在75 nm CoFeB薄膜中测得α约为0.0042，而Gayen等人在相同基底上的10 nm薄膜中测得α约为0.004[11]。这些发现强调了基底工程在优化CoFeB动态磁性能方面的重要性。然而，不同研究之间生长方法、表征技术（如TR-MOKE、FMR和VNA）、基底材料以及薄膜厚度的显著差异阻碍了有意义的跨比较，从而在受控条件下系统地分离基底效应方面存在关键空白。

除了阻尼参数外，超快退磁时间（τM）也是高速应用中的另一个关键指标。有趣的是，在3d过渡金属中，τM和α都受自旋翻转散射过程的控制[26]。基于费米面呼吸模型和Elliott-Yafet自旋松弛理论，F?hnle等人[27]、[28]预测了不同材料类别的τM-α相关性：在类似导电性的材料中呈正比，在类似电阻率的系统中呈反比。S.N. Panda等人的后续实验工作[19]通过改变底层材料（如Pt、Ta、Cu）证实了CoFeB薄膜中τM与α的反比关系。然而，这些研究未能区分界面效应（如粗糙度和自旋散射）的相互作用，这阻碍了对下一代自旋电子器件进行统一物理理解的进展。

因此，我们利用时间分辨磁光克尔效应（TR-MOKE）系统研究了适合薄膜厚度的磁控溅射CoFeB薄膜中基底效应对磁化动力学的影响。我们发现，在固定基底的情况下，τM随薄膜厚度增加而保持不变，因为它受固有电子-自旋（e-s）相互作用的控制；而α由于两磁子散射的抑制和磁不均匀性的降低而呈单调减小。对于固定厚度，τM受基底表面粗糙度的影响，这是由于电子-晶格耦合。相反，α的变化则主要由基底表面粗糙度与热导率之间的竞争决定。这些发现为理解薄膜厚度、基底属性与自旋电子器件功能性能之间的相互作用提供了关键见解，为超快磁存储器和逻辑技术的新应用奠定了基础。

**实验方法**
CoFeB薄膜是在室温下使用直流磁控溅射系统沉积在多种基底（蓝宝石、玻璃、硅和砷化镓）上的。所有样品都遵循基底/Ta(3)/Cu(5)/CoFeB(t)/Ta(3)（单位：nm）的对称层堆叠结构，其中CoFeB层厚度（t）范围为5至30 nm。沉积后的薄膜的静态磁性能通过振动样品磁强计（VSM）进行表征。

**所有样品的静态磁性能**
制备好的样品首先对其基本结构和形态特性进行了表征（见补充信息，第S1节）。CoFeB的XRD图谱没有明显的衍射峰，但在低角度处有一个宽的肩峰，证实了其非晶性质[22]、[31]。原子力显微镜（AFM）测量显示，蓝宝石和玻璃基底的表面粗糙度（Rq）超过1 nm，而立方硅和砷化镓的Rq值分别为0.69 nm和0.53 nm。

**结论**
我们利用TR-MOKE测量系统研究了薄膜厚度和生长基底对CoFeB薄膜中超快磁化动力学的影响。我们的结果展示了薄膜厚度和基底变化对磁化参数（如τM和αs）的影响。我们首先确定，在给定基底的情况下，τM与薄膜厚度无关，这证实了它依赖于CoFeB薄膜的固有电子-自旋耦合。相比之下，αs随薄膜厚度的增加而减小。

**作者贡献声明**
高建文：撰写——原始草稿、软件、方法论、研究；
张润华：撰写——审稿与编辑、数据整理；
王金山：验证；
童丽萍：验证；
葛明莉：验证；
孟卫东：资源提供；
周晓伟：资源提供；
刘竹：资源提供；
任洋：撰写——审稿与编辑、方法论、概念化。

**利益冲突声明**
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

**致谢**
本研究主要得到了国家自然科学基金（项目编号12464016、12164053、12264054）、云南省科技厅与云南大学的双一流联合重点项目（项目编号202401BF070001-012）、云南省科技厅的科技计划（项目编号202401AT070466）以及云南省科技厅的应用基础研究一般与重点项目（项目编号202301AT070139）的支持。