、样品和夹具、电磁铁以及电流源 构成；
[0033] 图4为测量样品NiFe在ΦΗ= 270°时的电压以及所分尚出的对称与反对称分 量；
[0034] 图5NiFe/Pt样品的（c)对称分量YJP⑷反对称分量六：)随ΦΗ变化的曲线； Pt/NiFe样品的（e)对称分量YJP(f)反对称分量4：)随ΦΗ变化的曲线；
[0035] 图6(a)双层薄膜NiFe/Pt/Si02样品在测量电压时的位置示意图；(b)双层薄膜 Pt/NiFe/Si02样品在测量电压时的位置示意图；（c)双层薄膜NiFe/Pt/Si02样品在垂直翻 转之后测量电压时的位置示意图；（d)双层薄膜Pt/NiFe/Si02样品在垂直翻转之后测量电 压时的位形示意图；
[0036] 图7深灰色虚线为样品在翻转之后的电压曲线Vi，浅灰色实线为样品在翻转之前 的电压曲线V2。对于双层薄膜NiFe/Pt/Si02样品，当ΦH= 90°时，（a)黑色实线为在翻转 之后测出的样品两端电压随外加静磁场变化的曲线减去翻转之前的；(b)黑色实线为翻转 之后的曲线加上翻转之前的。对于双层薄膜Pt/NiFe/Si02样品，当ΦΗ= 270°时，（c)黑 色实线为在翻转之后测出的样品两端电压随外加静磁场变化的曲线减去翻转之前的；（d) 黑色实线为翻转之后的曲线加上翻转之前的。
【具体实施方式】
[0037] 下面通过
【发明内容】
中的步骤与附图对本发明做进一步说明：
[0038]将长X宽为10X5mm的样品置于微带线夹具中（图1)，并采用SMB 100A(Rohde&SchwarZ)作为微波源，微波信号的频率为4. 4GHz，功率为16dBm，并且经频率 为ΙΟΚΗζ的方波调制，同时，在样品面内施加在一定范围内等步长变化的与微波磁场呈ΦΗ 夹角的静磁场，并采用SR830锁相放大器（StandardResearchSystem)在接受微波源所发 出的ΙΟΚΗζ方波作为参考信号的情况下，探测微带线夹具中样品两端由所受微波磁场激励 所产生的电压。由于电磁铁所施加的磁场大小与输入的电流大小呈线性正比关系，所以可 通过LabVIEW软件编程控制电流源向电磁铁输出在一定范围内等步长变化的电流，从而可 使样品膜面内所施加的静磁场以等步长变化，同时通过锁相放大器记录样品两端电压，即 可绘制出电压随外加静磁场变化的曲线，该测试平台如图3所示。通过改变ΦΗ角的大小， 测得不同磁场方向下的电压随外加静磁场变化的曲线，经拟合分离出对称分量\，反对称 分量AD。例如测量样品NiFe(20nm)在<^为270°的电压以及所分尚出的对称与反对称分 量如图4所示，通过⑴式拟合可得，AL= 1. 098μV，AD= -4. 262μV。
[0039] 传统测量方法如图5所示，旋转夹具外电磁铁使得ΦΗ& 10度为步长，从10度开 始旋转一周增加到360度，将每个ΦΗ时测得的电压分离出对称分量以及反对称分量，再做 出两者随ΦΗ变化的曲线，（a)和（b)分别为NiFe(20nm)/Pt(10nm)/Si02样品的对称与反对 称分量随角度ΦΗ的变化曲线，（c)和（d)分别为Pt(10nm)/NiFe(20nm)/Si02样品的对称 与反对称分量随角度ΦΗ的变化曲线。图6为上述两个样品在测量时的示意图，可以看出， (3)双层薄膜附？6(2〇11111)/?1:(1〇11111)/5;[02样品的自旋注入方向为1方向 ；03)?1:(1011111)/NiFe(20nm) /3102样品的自旋注入方向为+y方向。通过拟合，可以得出NiFe(20nm) / Pt(10nm)样品中的ISHE=(λ852yV，Pt(10nm)/NiFe(20nm)样品中的ISHE=(λ423μν，两 者大小的差异是由于两样品的电压探测点分别是接触在NiFe和Pt上，Pt电导率大于NiFe 的电导率，从而导致Pt(10nm)/NiFe(20nm)样品测量出的电压值偏小。这种通过旋转角度 并通过公式拟合的测试ISHE电压的方法过于繁琐，并且在电磁铁旋转的过程中，样品在每 个角度下受的磁场不一定会始终均匀，拟合公式时也会出现一定的偏差。
[0040] 所以本专利采用一种翻转样品测试的方法，在不改变磁场角度的情况下，通过对 样品垂直翻转之前与之后的两次测试所得的电压曲线，经过简单的相减，即可得出ISHE电 压值。具体步骤如下：
[0041] 针对双层薄膜NiFe(20nm)/Pt(10nm)/Si02样品，测量位置如图6(a)所示，其自旋 流向-y方向注入，其测得电压随磁场变化的曲线经分离所得出的对称分量可用（8)式描 述。此时，将该样品垂直翻转，使膜面向下，同时，为使样品在微带线夹具中所受到的微波磁 场与外加静磁场与翻转测试之前相同，在膜面下插入一片相同规格尺寸的Si02基片，从而 使薄膜的相对位置与翻转前具有相同的高度。测量位置如图6(c)所示，其自旋流向+y方 向注入，其测得电压随磁场变化的曲线经分离所得出的对称分量可用（6)式描述。由公式 (6)和（8)可知，在90度时ISHE电压取值可达到最大，用翻转之后的曲线减去翻转之前的，
大值，即所求的VISHE;若用翻转之后的曲线加上翻转之前的，即（6)式加⑶式，则所得到的 曲线为fSRE=2XVSRE(H)，即自旋整流电压的两倍，如图7(b)所示。所以，基于此模型， 仅需测试90度时，翻转之前与之后的电压随外加静磁场变化的曲线1和￥ 2，将两条电压曲 线作差，再除以2,所得曲线的最大值即为ISHE所产生电压的最大值，如图7(a)所示，经计 算，在ΦΗ= 90° 时，两电压曲线作差得V'ISHE=1.74yVUVISHE=0.87yV〇
[0042] 针对双层薄膜Pt(10nm)/NiFe(20nm)/Si02样品，测量位置如图6(b)所示，其自旋 流向+y方向注入，其测得电压随磁场变化的曲线经分离所得出的对称分量可用（6)式描 述。此时，将该样品垂直翻转，使膜面竖直向下，同时，为使样品在微带线夹具中所受到的微 波磁场与外加静磁场与翻转测试之前相同，在膜面下插入一片相同规格尺寸的Si02基片， 从而使薄膜的相对位置与翻转前具有相同的高度。测量位置如图6 (d)所示，其自旋流向-y 方向注入，其测得电压随磁场变化的曲线经分离所得出的对称分量可用（8)式描述。由公 式（6)和（8)可知，在270度时ISHE电压取值可达到最大，用翻转之后的曲线减去翻转之
取得最大值，即所求的VISHE;若用翻转之后的曲线加上翻转之前的，S卩（6)式加（8)式，则所 得到的曲线为V'SRE=2XVSRE(H)，即自旋整流电压的两倍，如图7(d)所示。所以，基于此 模型，仅需测试270度时，翻转之前与之后的电压随外加静磁场变化的曲线1和V2，将两条 电压曲线作差，再除以2,即可得到由ISHE所产生电压的最大值，如图7(c)所示，经计算，在 ΦΗ= 270° 时，两电压曲线作差得ViSHE= 0.862yVUVISHE=0.431yV〇
[0043] 本专利的测试方法，还可以推广到一般的FM/NM/Substrate或是NM/FM/ Substrate薄膜结构样品的ISHE电压测量，仅需垂直翻转样品，从而使得自旋注入方向在 样品翻转之后发生反转，在翻转之前与之后分别测试两次，将两条对称分量变化曲线作差， 即可消去自旋整流效应所产生电压分量，得到逆自旋霍尔电压值的两倍，再除以2,即可获 得由ISHE电压，并且本测试方法经过实验验证，该方法所得结果与旋转角度并拟合公式的 方法所得出的结果非常相近，可以说明，这是一种便捷且精确的获取ISHE电压值的测试方 法。
【主权项】
1. 一种FM/匪薄膜结构中逆自旋霍尔电压值的测量方法，包括以下步骤： (1) 将NiFe/Pt/Si02样品置于微带线测试夹具中，启动测试平台，在巾"为90°时测试 样品两端电压随外加静磁场变化的曲线； (2) 将NiFe/Pt/Si02样品垂直翻转180°后再置于微带线测试夹具中，此时，薄膜表面 向下，基底处于薄膜层的上方，基底与薄膜的界面以及NiFe与Pt的界面保持不变，在样品 下方插入一片相同尺寸的SiO 2基片，保证薄膜与翻转前在夹具中所处的位置高度相同，启 动测试平台，测试样品两端电压随外加静磁场变化的曲线； ⑶样品翻转后，薄膜中的自旋注入反向，导致步骤⑴和⑵中的曲线呈现相反的变 化趋势，将两者相加，即可消去ISHE对电压的贡献值，得到两倍的SRE电压值； (4)将样品垂直翻转之后的电压曲线减去翻转之前的，即步骤（2)中得到的曲线减去 步骤⑴的，则可以消去SRE对电压的贡献值，得到两倍的ISHE电压值，将相减后的曲线除 以2,峰值处的电压即为ISHE对电压的最大贡献值的两倍，将此电压再除以2,即可得到逆 自旋霍尔电压V ishe。2. 如权利要求1所述的一种FM/匪薄膜结构中逆自旋霍尔电压值的测量方法，其特征 在于：NiFe/Pt薄膜的长宽范围为5X 1~IOX 10mm，NiFe的厚度为10~50nm，Pt的厚度 为5~20nm，SiO2的长宽范围为5X5~lOXIOmm，Si〇J9厚度为0? 2~0? 5_。
【专利摘要】该发明公开了一种FM/NM薄膜结构中逆自旋霍尔电压值的测量方法，属于自旋电子学研究以及相关自旋器件制造领域。本发明基于利用终端短路的悬空微带传输线夹具测试FM/NM薄膜结构样品的自旋泵浦-逆自旋霍尔效应电压的方法，采用将样品在微带线夹具中垂直翻转的方式，先后在膜面向上以及膜面向下的位形时测量出样品两端电压，根据样品位形中自旋注入的方向相反的差别，通过简单计算，便可精确获得测量电压中自旋整流分量以及逆自旋霍尔效应电压分量，为精确计算自旋霍尔角提供了参考。
【IPC分类】G01R19/00, G01N24/00
【公开号】CN105242094
【申请号】CN201510557642
【发明人】张文旭, 韩方彬, 彭斌, 吴婷, 张万里
【申请人】电子科技大学
【公开日】2016年1月13日
【申请日】2015年11月11日