严逸飞，赖天树

(中山大学光电材料与技术国家重点实验室//物理科学与工程技术学院，广东广州510275)

Co基Heusler合金具有100%的自旋极化度、高的居里温度和大的饱和磁化强度以及小的磁阻尼系数［1－3］，因而在自旋电子器件中是一种有前途的自旋极化注入源，其中基于Co2MnSi薄膜制作的磁隧道结，在室温下已获得了磁隧道电阻变化率大于300%［4］，充分演示了Co基Heusler合金薄膜在自旋电子器件中的巨大应用前景。半导体自旋发光器件，如Spin-LED或Spin-LD［5－6］，是一种重要的自旋电子器件，它利用自旋极化电子注入，发射左或右旋圆偏振光，在未来量子信息传输与处理中具有重要应用前景。由于半导体中带间跃迁的选择定则，要求发射圆偏振光的波矢方向与电子自旋极化方向一致，即所谓的法拉第结构［5－6］。通常的发光方向是垂直于注入面或垂直表面，因此，要求自旋极化注入源中的自旋极化方向或铁磁薄膜中的磁化方向要垂直于注入界面，即自旋极化源是垂直磁化的。然而，具有高度自旋极化度的Co基Heusler合金薄膜都是面内磁化的，不利于直接作为Spin-LED或LD的自旋极化注入源。否则，就需要施加垂直于注入面的强磁场［5－6］，使Co基Heusler合金薄膜离面饱和磁化，但强外磁场的引入显然增加了Spin-LED结构复杂程度、体积和制作成本。因此，使Co基Heusler合金薄膜变为离面磁化，是自旋电子器件发展的迫切需要。已报到稀土掺杂Co2FeAl，能调控 Co2FeAl的磁各向异性［7］。这为调控Co基Heusler合金薄膜的磁各向异性提供了一种简单的方法。本文将探索稀土掺杂对Co基Heusler合金薄膜Co2FeAl0.5Si0.5(CFAS)的磁各向异性调控行为及超快磁化动力学的影响。若能通过掺杂稀土调控Co2FeAl0.5Si0.5的磁各向异性，实现离面磁化，对于基于Co2FeAl0.5Si0.5的Spin-LED的发展具有重要的实际意义。我们的确发现CFAS合金薄膜在适当的Tb掺杂浓度时，可以转化为离面磁化。这种离面磁化的CFAS合金薄膜在未来的Spin-LED或LD自旋电子器件制作中具有潜在的巨大应用。同时，我们也发现离面磁化的Tb掺杂CFAS薄膜的超快退磁化动力学呈现两步过程，一个初始的快退磁过程之后紧跟着一个较慢退磁过程，我们对这种两步退磁过程给出了定性解释。

1 实验样品和方法

1.1 样品制备

研究样品为掺杂不同浓度稀土元素Tb的Heusler合金Co2FeAl0.5Si0.5(Tb-CFAS)磁性薄膜。样品采用Tb和CFAS双靶共磁控溅射，沉积在室温玻璃衬底上。CFAS的溅射功率固定为40 W，而Tb的溅射功率在1～10 W变化，共制备了8个样品:CFAS40W/Tb1W，CFAS40W/Tb2W，CFAS40W/Tb3W，CFAS40W/Tb4W，CFAS40W/Tb5W，CFAS40W/Tb6W，CFAS40W/Tb8W和CFAS40W/Tb10W。样品的Tb掺杂浓度依次增加。

1.2 实验方法

利用飞秒激光时间分辨泵浦－探测磁光克尔光谱技术研究上述8个样品的超快磁化动力学。飞秒激光脉冲由钛宝石飞秒激光放大器产生，电场矢量为线偏振的。激光脉冲的脉宽约150 fs，重复率为1.0 kHz，中心波长800 nm。飞秒脉冲激光通过标准的泵浦－探测装置后，分成两束强度比大约为40∶1的泵浦光和探测光，近垂直地聚焦到样品表面上同一点。泵浦光斑直径约150 μm，而探测光斑直径约为75 μm，以保证探测区域内近均匀激发。探测光脉冲通过光学延迟线，以实现相对泵浦光脉冲的时间延迟。通过样品表面反射的线偏振探测光的极磁光克尔转角由平衡光桥探测器 (差分探测器)检测。差分克尔信号由锁相放大器度量。一个光学斩波器以340 Hz的频率调制泵浦光，斩波器控制器输出的340 Hz的电脉冲作为锁相放大器的参考信号。近垂直样品表面的磁场由电磁铁产生，最大磁场强度近1 T。实验在室温下进行。

2 结果与讨论

2.1 磁各向异性的磁化动力学表征

我们首先希望判断上述8个Tb-CFAS样品的磁各向异性是否随Tb掺杂浓度变化而变化。更具体地说判断Tb-CFAS是否可能从面内磁化变为离面磁化。所以，我们开展了施加离面外加磁场下的磁化动力实验研究，因为这种技术容易判断样品是面内或离面磁化。面内磁化样品的动力学应该会出现自旋进动振荡，而离面磁化样品则不会。

图1所示为8个样品的磁化动力学的极克尔信号曲线，在相同的7.5 mJ/cm2泵浦能流和4 kOe近垂直样品面施加外磁场下测量。可以清楚地看到磁化动力学随Tb掺杂浓度 (正比溅射功率)的变化。3个低Tb掺杂浓度 (Tb 1～3 W)的Tb-CFAS样品呈现磁化进动振荡，但振荡幅度和频率都随Tb浓度增加而减小。4个较高Tb掺杂浓度 (Tb 4～8 W)的Tb-CFAS样品的磁化动力学没有进动振荡，但其退磁化过程 (延迟零点附近克尔信号从零变为最大的过程)呈现两步过程。首先是一个快速退磁过程，然后跟着一个较慢的退磁过程。最后，Tb掺杂浓度最高 (Tb 10 W)的Tb-CFAS样品，其磁化动力学仅在延迟零点附近呈现一个尖峰。磁化进动振荡动力学的出现最直观的表明样品是面内磁化的［3］，因为进动起源于泵浦光激发样品后，样品内的总有效磁场偏离了原来磁化方向［8］。总有效磁场等于离面外磁场与磁晶各向异性场的矢量和。光激发通常只能改变磁晶各向异性场的大小，所以，只有面内磁晶各向异性场的大小变化才能导致有效磁场的方向变化。因此，我们得出结论:观察到进动磁化动力学的三个Tb-CFAS样品仍然保持面内磁化。而进动振荡幅度随Tb掺杂浓度增加而变小，表明Tb-CFAS样品的面内磁晶各向异性随Tb掺杂浓度增加而变小。四个较高Tb掺杂浓度的Tb-CFAS样品的动力学没有出现振荡，而呈现两步退磁过程，这是垂直磁化稀土－过渡金属 (RE-TM)薄膜的典型超快退磁化特征［9－10］。这表明较高Tb掺杂浓度的确能使Heusler合金CFAS薄膜变为垂直磁化，实现了我们的预期目标。这种垂直磁化的Tb-CFAS薄膜在未来的Spin-LED或LD自旋电子器件中具有重要的应用价值。最高Tb掺杂浓度的Tb-CFAS薄膜仅在延迟零点处呈现一个尖峰，显示此Tb-CFAS样品可能是进入磁无序状态或弱磁晶各向异性状态，此尖峰可能是相干假象。有文献 ［11］报道RE-TM合金薄膜Tb1－xCox和Tb1－xFex的居里温度 (TC)随Tb浓度增加而降低。当Tb浓度达到50%时，TC已减低至室温或以下。

一个类似的Tb掺杂Heusler合金薄膜Co2FeAl(Tb-CFA)的磁晶各向异性变化的报道与我们的结果非常相似［7］。Li等［7］通过测量 Tb-CFA 磁化薄膜的面内和离面磁滞回线环随Tb掺杂浓度的变化，发现Tb掺杂浓度在22%和40%之间时，Tb-CFA薄膜为垂直磁化的。Tb掺杂浓度低于22%时，Tb-CFA薄膜为面内磁化的，而高于40%掺杂浓度时，为弱磁性弱磁晶各向异性的。这种磁晶各向异性随Tb掺杂浓度变化的趋势支持我们上面的分析结果。

图1 在4 kOe近垂直外场下，7.5 mJ/cm2泵浦能流激发的8个不同Tb掺杂浓度的Co2FeAl0.5Si0.5全Heusler合金磁薄膜的超快磁化动力学极克尔信号图中曲线顺序上移，以便清楚显示Fig.1 Ultrafast magnetization dynamics polar Kerr signal of full-Heusler Co2FeAl0.5Si0.5films doped with 8 different concentration of Tb under 4kOe near-perpendicular external field and a pump fluence of 7.5mJ/cm2 The traces are shifted upward for clarity

通过对比我们样品的Tb掺杂溅射功率比与文献［7］中标定的浓度，我们可以估计我们的8个样品的Tb掺杂浓度。图1中CFAS 40W/Tb 3W和CFAS 40W/Tb 4W两个样品的Tb掺杂浓度应该分别低于和高于22%。CFAS 40W/Tb 3W样品的Tb的溅射功率比为3/(40+3)=6.98%，而 CFAS 40W/Tb 4W样品的Tb的溅射功率比为4/(40+4)=9.09%。如果设置溅射功率比与浓度之间的比例系数为2.5，则可以计算出CFAS 40W/Tb 3W样品的Tb掺杂浓度为6.98% ×2.5=17.44%，而CFAS 40W/Tb 4W样品的Tb掺杂浓度为9.09%×2.5=22.73%。依此类推，可以计算出 CFAS 40W/Tb 5W样品的Tb掺杂浓度为 (5/45)×2.5=27.78%，CFAS 40W/Tb 6W样品的Tb掺杂浓度为32.61%，CFAS 40W/Tb 8W样品的Tb掺杂浓度为41.67%，CFAS 40W/Tb 10W样品的Tb掺杂浓度为50.0%。因而，CFAS 40W/Tb 4W，CFAS 40W/Tb 5W，CFAS 40W/Tb 6W和CFAS 40W/Tb 8W四个垂直磁化样品的Tb掺杂浓度的确与文献 ［7］中报道的22%～40%范围符合得相当好。CFAS 40W/Tb 10W样品的Tb掺杂浓度高达50.0%，依据文献［7］，它应该是弱磁化弱磁各向异性的;而依据文献 ［11］，它应该是磁无序的，因为TC已降至室温或以下。此时，光激发调制的磁变化非常弱，超出试验系统的探测灵敏度，所以不能探测到，只有相干假象信号出现。

2.2 两步退磁过程的起源

图1所示，CFAS 40W/Tb 4W，CFAS 40W/Tb 5W，CFAS 40W/Tb 6W和CFAS 40W/Tb 8W四个垂直磁化样品呈现两步超快退磁过程。将它们放大单独绘制，如图2中空心符号点所示。下面将讨论这种两步退磁化过程的起源。

RE-TM非晶体合金薄膜，如GdFeCo和TbFe-Co的磁性质在已被广泛研究［11－12］，而它们的超快磁化动力学在近十多年也被研究［13－14］。已经知道RE与TM之间是反铁磁耦合的［15］。800 nm波长探测光测量的磁光克尔信号主要反映的是过渡金属的3d电子磁矩变化［16］。Tb元素的磁矩主要由内层的4f电子贡献，但800 nm波长探测光不能直接探测到4f能级电子磁矩，只能直接探测外层5d6s电子磁矩，但5d6s电子磁矩只占Tb元素磁矩的3%。所以，Tb元素和TM反铁磁耦合时，4f磁矩是通过5d6s－4f耦合参与的。文献 ［9］正是基于这种模型解释了在GdFeCo薄膜中观察的两步退磁化过程。认为第一步超快退磁化过程起源于泵浦激光感应的TM的3d磁矩退磁化，而第二步较慢退磁化过程正是反映了4f磁矩通过5d6s－4f耦合的退磁化过程。文献 ［9］还发展了一个四温度模型来理论模拟计算超快磁化动力学过程。模拟计算结果的确显示Gd的4f自旋温度上升速度比TM的3d自旋温度上升慢得多，与实验观察结果一致。如果我们的Tb掺杂元素也是和CFAS中的TM元素反铁磁耦合，那么，依据文献 ［9］的物理图像，同样可以解释图2所示的两步退磁化过程。第一步快的退磁化过程同样是起源于TM(Co，Fe)的超快退磁化，而第二步较慢的退磁化反映的是Tb元素的4f磁矩通过5d6s－4f耦合的退磁化过程。

为了定量了解两个退磁化过程的时间尺度，我们拟合了整个磁化动力学过程，使用如下的指数和模型:

式中A，B，C，D为四个待拟合系数，τf和τs分别为快 (第一)和慢 (第二)退磁化过程的时间常数，τ1和τ2为退磁化恢复过程的时间常数。

图2 7.5 mJ/cm2能流密度泵浦光激发4 kOe近垂直外场下，4个垂直磁化样品的磁化动力学曲线空心点表示实验测量数据，实线为拟合曲线;τf和τs分别表示两步退磁过程的快慢过程的时间常数图中曲线顺序上移，以便清楚显示Fig.2 Magnetization dynamics of 4 perpendicular magnetization samples under 4 kOe near-perpendicular external field and a pump fluence of 7.5 mJ/cm2 The dot is measurement data，the solid line is fitted curve;τfand τsare time constant of fast and slow demagnetization respectively.The traces are shifted upward for clarity

应用方程 (1)最优化拟合图2中四条实验曲线，拟合结果如图中实线所示。拟合获得的两步退磁化过程的时间常数如图2中标注所示。显然，第一步快退磁过程的时间常数τf在5 ps内变化，而第二个较慢退磁化过程的时间常数τs在几十ps范围，它远小于文献 ［9］中报道的Gd的4f磁矩的退磁化时间常数126 ps。Tb和Gd的4f磁矩的退磁化时间常数具有这样大的差别，可能起源于两方面原因:一是Gd的4f能级更深，在费米能级下8.4 eV处［9］，而Tb的4f能级较浅，在费米能级下2.4 eV处［16］。因此，在Tb中的3d－5d6s－4f耦合强于Gd;二是Gd的轨道磁矩等于零，而Tb的轨道磁矩不为零［16］。因而，Tb中自旋－轨道耦合强于Gd中，4f自旋还可以通过自旋－晶格耦合退磁，加速了Tb的4f磁矩退磁化［16］。

3 结论

我们已经利用泵浦－探测磁光克尔光谱研究了掺杂不同浓度Tb的Heusler合金CFAS的磁化动力学信号，发现不同浓度的样品具有不同的动力学过程，揭示磁晶各向异性随Tb掺杂浓度变化。显示较低Tb掺杂浓度的CFAS薄膜呈现面内磁各向异性，而较高Tb掺杂浓度时，CFAS薄膜变为垂直磁化;太高浓度Tb掺杂，CFAS薄膜变为磁无序，可能是TC降低至室温或以下。垂直磁化的CFAS薄膜的超快退磁化过程呈现两步退磁过程，对应于TM的3d磁矩和RE的4f磁矩退磁化过程。掺杂Tb的离面磁化的CFAS合金薄膜在自旋发光电子器件制作中具有应用潜力。但掺杂Tb的离面磁化的CFAS合金薄膜的带结构是否发生变化，CFAS合金的高自旋极化度特性是否还保留仍是值得进一步研究的问题。

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