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第五章 實驗結果與數據分析
5-1 三層磁盤量測
圖 5-1-1 三層磁盤剖面示意圖
上圖是三層膜結構磁盤的剖面圖，其中最上層第四層，灰色的部分代表的是 Ta 層的薄膜，黃色代表的是 Py 的薄膜，紅色是 Cu 的薄膜。底下灰色圓球體是 渦漩核心(Vortex Core)，受到了垂直方向的微波而產生了上下的震動，如同綠 色的上下箭頭，而在此刻，上層的Py 是各種亞穩態，在此示意圖中我們利用亞 穩態來表示之，而當上下兩層開始耦合共振時，上層的Py 會出現自旋幫浦效應 (Spin Pumping effect)，自旋幫浦效應指的是當這層的磁矩開始做進動時，會 因為自旋角動量的轉移將 Ta 和 Py 這兩層介面附近的電子變成與磁矩的自旋方 向相同，當相同方向的自旋變多產生自旋累積(spin accumulation)，就會開始 由濃度高的地方擴散到濃度低的地方，遵循波茲曼擴散方程式；再因為Ta 層有
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十分強的自旋軌道效應(Spin obrit effect)，會的翻轉完後相同方向的自旋電子 往相同方向擴散，如上圖中的藍色電子和藍色箭頭。擴散的同時，界面上會從另 一個方向補充電子，如上圖中的紅色電子和紅色箭頭，這樣的移動方是從側面看 起來，電子就像是從右邊流向左邊，這種現象我們稱之它為反自旋霍爾效應 (Inverst Spin Hall Effect)。也因此，只要下層渦漩核心受到垂直方向磁場擾動 時，我們就能夠得到因擾動而產生的間接自旋電流的訊號，在量測上更容易得到 訊號。
至於為什麼上下兩層會是不同狀態，主要是因為下層的Py 層比較厚，在掃 場時會比上層薄的Py 更快產生渦漩狀態，而上下兩層在還沒形成渦漩狀態時本 來會互相有雜散場(Stray Field)交互影響，但當下層的渦漩態一形成時，上層的 Py 突然就沒有了雜散場影響了，就停在還沒將要變成渦漩態的亞穩態，而在此 同時，因為高頻的垂直微波磁場是一直持續存在的，只要當時的微波頻率是渦漩 態與亞穩態耦合共振激發的頻率，就能夠產生反自旋霍爾效應，而得到電壓差。
本實驗之所以可以在各種不同的位置量測到訊號，主要原因就是因為渦漩核心的 位置和亞穩態的各種不同，這樣的排列組合可以讓我們得到不同的亞穩態和渦漩 核心耦合的共振激發頻率。
接下來我們將討論我們從-2000Oe 掃場至 2000Oe 和 2000Oe 掃場至 -2000Oe。除了這個變因之外，我們另一個變因是改變頻率，從 4.5GHz 至 6.5GHz，每 0.1GHz 量測一次。依照這兩個變數的量測數據。使用的量測軟體 是Labview，以下就是量測出來的數據。
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-0.000001
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-0.000002
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V
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6.6G
-2000 0 2000
0.000000 0.000002
V
H(oe)
6.7G
-2000 0 2000
0.000000
-2000 0 2000
-0.000002
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-0.000001
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-0.000007
-2000 0 2000
-0.000001
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0.000000 0.000002
V
H(oe)
7.3G
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-0.000002
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0.000000 0.000002
V
H(oe)
7.5G
-2000 0 2000
0.000000
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-0.000002
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圖5-1-7 頻率 4.5GHz~8.5GHz 磁場對電壓圖
因為這些圖我們不容易看出其變化量，我們利用Origin 這個程式將所有的 數據圖整合製作出了彩圖，如上圖。在上圖中我們可以看見兩條非常明顯的曲線 紅色及藍色，他們分別從 250Oe 和-500Oe(4.5GHz)開始平移至 1500Oe 和 -2000Oe(8.5GHz)，此兩條線是當兩層 Py 層都在飽和磁場下，磁盤中的磁矩成 規則往相同方向指的鐵磁共振訊號，而在這兩條線之間，才是我們要討論的兩層 不同狀態所產生的耦合共振激發。
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-2000 0 2000
0.000004
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0.000004
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0.000004
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0.000003
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0.000003
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0.000004 0.000006
V
H(Oe)
5.4G
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0.000004 0.000006
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H(Oe)
5.5G
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0.000004 0.000006
V
H(Oe)
5.6G
-2000 0 2000
0.000004 0.000006
V
H(Oe)
5.7G
-2000 0 2000
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圖5-1-13 頻率 4.5GHz~8.5GHz 磁場對電壓圖
我們利用Origin 這個程式將所有的數據圖整合製作出了彩圖，如上圖。會 發現當磁場反著掃時，會出現對稱圖形。在上圖中我們可以看見兩條非常明顯的 曲線紅色及藍色，他們分別從-250Oe 和 500Oe(4.5GHz)開始平移至-1500Oe 和2000Oe(8.5GHz)，此兩條線是當兩層 Py 層都在飽和磁場下，磁盤中的磁矩 成規則往相同方向指的鐵磁共振訊號，而在這兩條線之間，才是我們要討論的兩 層不同狀態所產生的耦合共振激發。
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5-2 三層磁盤磁矩狀態模擬分析與數據討論
圖 5-2-1 頻率 5.0GHz~7.0GHz 磁場對電壓圖
根據量測到的數據，我們把數據做校正的動作，取正負飽和場中間電壓值為 基準點重新做圖，並鎖定感興趣的位置，從圖5-1-7 得到了圖 5-2-1。從途中我 們 可 以 得 知 ， 總 共 有 四 到 五 個 區 域 是 峰 值 ， 它 分 別 在-50Oe(5.4GHz) ， -60Oe(6.2GHz)，-75Oe(6.5GHz)，150Oe(6.0~6.7GHz)這些地方有著明顯的 峰值，從顏色區間來看我們可以得知，這些峰值的電壓差約在1.2 × 10−7V。有 了這樣的峰值和位置，我們就能夠利用OOMMF 模擬磁矩程式模擬討論它們。
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圖 5-2-2 OOMMF 模擬 B-state 與數據對照
圖 5-2-3 OOMMF 模擬 T-state 與數據對照
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圖 5-2-4 OOMMF 模擬 C-state 與數據對照
上面各種模擬結果所定義的 state 就是依照磁盤看起來的形狀分別定義成 了B、T、C state，為了方便討論，我們將數據和模擬的圖彙整在一起。
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圖 5-2-5 數據與模擬對照圖
我們可以將波峰值的區域分成三大部分，分別是-130Oe(5.0~5.9GHz)，
-150Oe(6.0~6.7GHz)和 150Oe(5.7~6.8Ghz)，而這三大區塊的波峰分別就代 表著B、T、C state，就如同實驗介紹部分提到的，薄的 Py 層會因為本來受到 厚的那層雜散場(stray field)的影響，在厚的 Py 層形成渦漩態之後停止給予，當 然我們也必須考量的部分是在掃場過程中我們持續給垂直方向的微波擾動他，也 有可能會給予他些微的變動，所以才會使的波峰值不如理論般的在狹窄的頻率區 間，而變場寬廣的區間之中。
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5-3 凸字磁盤量測
圖 5-3-1 凸字磁盤剖面示意圖
上圖是凸字形磁盤的剖面圖，紅色上下箭頭代表的是垂直方向的微波，灰色 的小圓球代表的是渦漩核心，粉紅色箭頭代表的是受到共振激發頻率的微波導致 渦漩核心受到垂直方向的進動，藍色的箭頭代表的是受到垂直方向進動後誘發的 水平方向移動。
當我們利用磁場使磁盤變成渦漩態之後，給與上方紅色箭頭的垂直方向微波 後，從模擬上我們可以發現在GHz 數量級的地方，會有垂直方向的激發共振。
在實驗上更有明顯的訊號，藉由模擬和文獻判斷此訊號應該是誘發出來的平行進 動所產生的訊號，凸字形結構的磁盤有助於未來科技對於使用高頻訊號收發特性 是一大福音。
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6.50E+009 7.00E+009 7.50E+009 8.00E+009 8.50E+009 13.15
2.00E+009 4.00E+009 6.00E+009 8.00E+009 1.00E+010 0.020
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此之外我們可以看到量測出來的樣品電阻值在13 歐姆左右，對照之前的文獻這 樣的值是正確的。除此之外，在掃頻的過程之中 ，我們發現到較有趣且有較大 的電阻變化都發生在7~8GHz 之中，因此我們著重在這部分進行量測(圖 5-3-3)。
本實驗我們分別做固定兩種變數討論，第一種是改變微波的功率強度dBm 大小，
另外一種是改變磁場大小。這裡的每一次量測我們都會從飽和場將磁場移動到設 定的磁場，讓磁盤變成渦漩狀之後才進行量測，而非不斷的在固定磁場下量測。
下面的改變 dBm 的數據是將磁場固定在-9Oe、改變磁場大小是將頻率固定在 25dBm 的地方所量測出來的結果。
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7.00E+009 8.00E+009
0.056
7.00E+009 8.00E+009
0.048
7.00E+009 8.00E+009
0.057
7.00E+009 8.00E+009
0.050
7.00E+009 8.00E+009
0.060
7.00E+009 8.00E+009
0.060
7.00E+009 8.00E+009
0.06 0.07
R(Ohm)
F(Hz)
21dbm
7.00E+009 8.00E+009
0.065
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7.00E+009 8.00E+009
0.07
7.00E+009 8.00E+009
0.05
7.00E+009 8.00E+009
0.06
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圖5-3-7 微波強度大小 15~25dBm 頻率和電阻值對照圖
從上面的數據之中我們挑選幾個較有規律的數據討論之，圖 5-3-7 我們可 以發現到，微波強度如果越大，那麼量測到的波峰值會出現往左偏偏移的現象，
這正是因為文獻回顧式子(3-1)之中所提到的，當我們在水平方向給予交流電，
不同的電流強度會導致渦漩核心進動的半徑產生變化，而這裡我們將電流強度變 換成了微波大小的強度，當微波強度越大時，渦漩核心誘發出來的水平進動的半 徑就會越大，其頻率也會跟著變大，對照在上圖向右邊偏移的原因是因為垂直方 向的共振頻率是固定的，但是水平方向進動的頻率不斷改變，導致水平方向進動 的倍頻也不斷改變。才會讓垂直方向共振頻率與水平方向進動倍頻重疊的地方產 生變化，共振的頻率從7.5GHz 偏移到了 7.0GHz。
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圖5-3-8 微波強度大小 15~25dBm 頻率和電阻值數據圖
如果我們將圖變成彩圖來討論可以更淺顯易懂的發現，必須要大於一定的微 波強度才足夠驅動渦漩核心產生水平方向的進動，並且在更大的微波強度時，峰 值有出現橫移的現象，並且出現了另外一個峰值。這是非常有趣的現象。
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6.00E+009 7.00E+009 8.00E+009 9.00E+009
0.04
6.00E+009 7.00E+009 8.00E+009 9.00E+009
0.06
6.00E+009 7.00E+009 8.00E+009 9.00E+009
0.06
6.00E+009 7.00E+009 8.00E+009 9.00E+009
0.06
6.00E+009 7.00E+009 8.00E+009 9.00E+009
0.04
6.00E+009 7.00E+009 8.00E+009 9.00E+009
0.08
6.00E+009 7.00E+009 8.00E+009 9.00E+009
0.08
6.00E+009 7.00E+009 8.00E+009 9.00E+009
0.06
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6.00E+009 7.00E+009 8.00E+009 9.00E+009
0.06
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圖5-3-12 磁場 10~-5 Oe 頻率和電阻值對照圖
圖5-3-13 磁場 -5~-12 Oe 頻率和電阻值對照圖
為了方便討論我們將較有趣的部分合起來觀察，我們可以發現在不同磁場位 置時渦漩核心共振情形不同，且波峰長的也不盡相同，主要原因是因為渦漩核心 在不同磁場時會在不同位置導致有不同的共振頻率，至於圖形不同的原因是來自
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於渦漩核心如果移動至電極底下時和電極之前有所不同，下面 AMR 圖會解釋 之。
圖 5-3-14 凸字型結構 AMR
我們從AMR 的圖形可以發現跟文獻回顧裡的提到的一樣，順時針和逆時針 渦漩會因為移動的方向不同導致它們是否會通過兩個電極之間導致有不同的圖 形出現，而我們量測到的高頻訊號底下的渦漩核心也正是因為在做進動所以才會 移動到各種不同的位置上包含電極底下。
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圖 5-3-15 10~-10Oe 頻率和電阻值數據圖
如果我們將數據圖變成彩圖我們可以發現到峰值在零場兩端成對稱情況，也 可以再次證明渦漩核心的位置和共振情況是有關連性的。
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5-4 凸字磁矩狀態模擬分析與數據討論
圖 5-4-1 500/20nm250/10nm 凸字形結構模擬圖(Z 方向)
圖 5-4-1 中左上角是上下兩層磁盤的直徑和厚度，右上角的圖指的是 Z 方 向的磁阻在10GHz 的位置產生共振，左下角的圖是共振當時的情形，藍色指的 是磁阻Z 方向向下，紅色是磁阻 Z 方向分量向上，顏色越深代表 Z 方向分量越 多。右下角指的是將右上角的圖做傅立葉分析可以得到共振的頻率是在10GHz 左右，與共振的地方位置相同。這代表施加垂直方向的微波，垂直方向共振的頻 率和它共振的頻率是相同的。
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圖 5-4-2 500/20nm250/10nm 凸字形結構模擬圖(X 方向)
圖 5-4-2 500/20nm250/10nm 凸字形結構模擬圖(X 方向)