01 导读

磁子学（Magnonics）是一门利用自旋波（磁子）作为信息载体来实现高效信息存储和处理的新兴学科。磁子器件具有非易失性、低功耗、更快的处理速度、更大的信息存储量和更高的集成密度等优点，是未来最有希望超越互补金属氧化物半导体（COMS）器件的候选者之一。钇铁石榴石Y₃Fe₅O₁₂（YIG）具有极低的吉尔伯特阻尼常数，窄的铁磁共振线宽和宽的绝缘带隙，被认为是磁子学中最重要的材料之一。基于YIG的磁子器件引起了广泛的关注，特别是具有垂直磁各向异性（PMA）的YIG薄膜成为了当前的研究热点。然而，由于巨大的形状各向异性和很小的磁晶各向异性，YIG薄膜通常表现出面内磁化。同时，由于YIG的磁致伸缩系数较小，过去总是使用相对较大的晶格失配（η）来增强磁弹各向异性从而诱导PMA，这会导致铁磁共振线宽和缺陷密度的增加，最终影响磁子器件的性能。此外，获得厚的具有PMA的YIG薄膜也是一大挑战。因此，在晶格失配较小的YIG薄膜中获得强的PMA具有重要应用价值。

02 成果掠影

近日，中国科学院物理研究所禹日成研究员，沈希副研究员研究团队提出了一种增强YIG薄膜中PMA的新策略，成功降低了产生PMA所需要的最小应变值，并在晶格失配仅为0.4%的60 nm的YIG薄膜中实现了很强的PMA，也是目前在最小晶格失配下获得的最强的PMA。本研究结合透射电子显微学分析、磁性测量和理论模型，揭示了PMA显著增强的物理机制是缺氧导致的饱和磁化强度的降低和磁致伸缩系数的增加。此外，铁磁共振测量表明利用该策略制备的具有PMA的YIG薄膜仍然具有很小的吉尔伯特阻尼常数。该策略为石榴石薄膜中PMA的理论理解和实验增强提供了重要参考，并提高了基于YIG的磁子器件在实际应用中的灵活性。相关工作以题为“A Strategy for Enhancing Perpendicular Magnetic Anisotropy in Yttrium Iron Garnet Films”的研究性文章发表在近期的Small上。

03 核心创新点

1、  成功地在YIG(60 nm)/YSGG中实现了目前最小晶格失配（η=0.4%）下的最强PMA。

2、  结合透射电子显微学分析、磁性测量和理论模型，给出了PMA增强的物理机制。

3、  提出了一种显著增强PMA且能维持小的吉尔伯特阻尼常数的新策略。

04 数据概览

图1.YIG的晶体结构、XRD谱图和TEM图像。(a) YIG的晶体结构。 (b) 不同衬底YSGG（η=0.4%）、SGGG（η=0.8%）、GYSGG（η=1.0%）和GSGG（η=1.0%）上生长的10和60 nm的YIG薄膜的XRD谱图。(c-f) YSGG和GSGG衬底上生长的10和60 nm的YIG薄膜沿[1-10]方向的低倍截面明场像。(g) YIG(60 nm)/YSGG沿[1-10]方向的截面HAADF像。

图2.YIG薄膜的SAED图。(a,e) YSGG（η=0.4%）、(b,f) SGGG（η=0.8%）、(c,g) GYSGG（η=1.0%）和(d,h) GSGG（η=1.0%）衬底上生长的10和60 nm的YIG薄膜沿[1-10]带轴的SAED图。

图3.YIG薄膜的磁滞回线。(a,e) YSGG（η=0.4%）、(b,f) SGGG（η=0.8%）、(c,g) GYSGG （η=1.0%）和(d,h) GSGG（η=1.0%）衬底上生长的10和60nm的YIG薄膜的室温下磁滞回线，外磁场方向分别沿着薄膜面内和面外（黑色和红色曲线）。

图4.PMA增强的物理机制。10和60 nm的YIG薄膜的有效PMA场H_eff (a)和饱和磁化强度M_s (b)关于η的函数。在图中，不同类型的符号显示了相关报道的结果。(c) YSGG衬底上生长的60nmYIG薄膜的Fe L_2,3峰。插图显示了YIG (60 nm)/YSGG沿薄膜法向采集的O K峰。(d) 在不同面内应变ε_||和不同磁致伸缩系数变化比Δλ₁₁₁/λ₁₁₁条件下的H_eff作为M_s的函数。

图5.YIG薄膜的铁磁共振测量结果。(a) YSGG（η=0.4%）、(b) SGGG（η=0.8%）、(c) GYSGG （η=1.0%）和(d) GSGG（η=1.0%）衬底上生长的60 nm的YIG薄膜的铁磁共振线宽ΔH作为微波频率的函数。插图显示了相应的铁磁共振吸收光谱，微波频率为10 GHz。

05 成果启示

总之，本研究在四种不同的石榴石衬底上获得了10和60 nm的具有很强PMA的YIG薄膜，尤其是在YSGG（η=0.4%）衬底上生长的60 nm的YIG薄膜中实现了最强的PMA，也是迄今为止报道的最小的晶格失配和最大的薄膜厚度。透射电子显微学分析、磁性测量和理论模型表明，PMA的显着增强归因于缺氧导致的饱和磁化强度的降低和磁致伸缩系数的增加。这种新策略可以有效地降低产生PMA所需的最小面内应变，并增加维持PMA的最大薄膜厚度。此外，该策略不会影响YIG薄膜固有的低吉尔伯特阻尼系数。本研究为调控其它磁性薄膜的磁各向异性提供了一个新思路，并为其在未来的磁子器件中的应用提供了理论与实验支持。

特别感谢中国科学院物理研究所韩秀峰研究员及其课题组对本工作的大力支持。

原文详情：Y. Meng, P. Chen, W.Q. He, H.Y. Zhuang, J.H. Li, J. Dong, X.F. Li, L.Y. Wang, Q.W. Guo, J.K. Yang, Y. Ji, X. Shen*, X.H. Yu, G.Q. Yu, J.J. Li, X.F. Han*, and R.C. Yu*, Small 2024, 2308724.

论文地址：https://doi.org/10.1002/smll.202308724