結論

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第六章 結論

本 實 驗 ⼀一 共 製 作 了 Bi2Te310nm/Py40nm、︑､ Bi2Te315nm/Py40nm、︑､

Bi2Te320nm/Py40nm、︑､ Bi2Te330nm/Py40nm、︑､ Bi2Te3100nm/Py40nm 五 種 不 同 厚 度 Bi2Te3的 雙 層 薄 膜 樣 品，加 上 Py40nm 樣 品 做 為 參 考 組 來 研 究 不 同 厚 度 的 Bi2Te3/Py40nm 雙 層 薄 膜 於 變 溫 鐵 磁 共 振 下 有 效 場

（ effective field） 的 變 化 。︒｡

我 們 先 對 Bi2Te320nm、︑､Bi2Te330nm、︑､Bi2Te3100nm 做 了 磁 場 垂 直 膜 ⾯面 ⽅方 向（ perpendicular）的 磁 阻 量 測，在 溫 度 為 5K 的 量 測 數 據 中 ， 我 們 發 現 了 Bi2Te320nm、︑､ Bi2Te330nm 這 兩 塊 樣 品 具 有 弱 反 局 域 效 應

（ Weak anti-localization） ， 這 確 保 了 我 們 的 樣 品 品 質 （ 因 為 弱 反 局 域 效 應 很 容 易 受 到 雜 質 或 缺 陷 影 響 ⽽而 被 抑 制 ）。︒｡⽽而 與 變 溫 鐵 磁 共 振 同 時 量 測 的 逆 ⾃自 旋 霍 爾 效 應 （ ISHE） ， 因 有 量 測 到 ISHE 的 電 壓 訊 號 ， 可 說 明 我 們 的 樣 品 其 氧 化 情 況 並 不 嚴 重 ， 再 次 確 認 了 樣 品 的 品 質 。︒｡

Pt20nm/Py30nm 雙 層 薄 膜 與 Py40nm（ ⾧長 在 sapphire 基 板 ） 的 變 溫 鐵 磁 共 振 的 量 測 中 ， 我 們 確 定 了 spin backflow 造 成 了 有 效 場 的 提 升 ， 但 提 升 的 幅 度 很 ⼩小 ， 因 此 我 們 認 為 有 效 場 的 提 升 更 主 要 是 來 ⾃自 於

exchange interaction with the spin-polarized surface states of Bi2Te3的 貢 獻。︒｡在 變 溫 鐵 磁 共 振 量 測 的 實 驗 中，我 們 發 現 隨 著 Bi2Te3膜 厚 的 增 加，最 ⼤大 有 效 場 出 現 在 Bi2Te315nm / Py40nm 樣 品 上，繼 續 增 加 Bi2Te3

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膜 厚 ， 有 效 場 則 會 減 少 ， 這 源 於 Bi²Te3 的 表 ⾯面 效 應 （ surface effect）

與 塊 材 效 應 （ bulk effect） 的 競 爭 ， 表 ⾯面 效 應 強 ， 有 效 場 變 ⼤大 ， 塊 材 效 應 強 ， 則 有 效 場 變 ⼩小 。︒｡ 此 外 ， 我 們 發 現 隨 著 溫 度 升 ⾼高 （ 5K~300K）

有 效 場 將 呈 現 指 數 衰 減 ， ⽽而 當 溫 度 達 到 100K 以 上 時 ， 所 有 樣 品 有 效 場 的 值 將 差 不 多 ， 代 表 來 ⾃自 Bi²Te3 surface states 的 貢 獻 被 抑 制 。︒｡

若 再 從 我 們 的 實 驗 結 果 分 析 ⾃自 旋 混 合 電 導（ spin mixing conductance），

當 Bi2Te3厚 度 越 薄 ， 則 g_↑↓值 越 ⼤大 ， 這 反 映 了 表 ⾯面 態 的 影 響 ， 但

Bi2Te310nm/Py40nm 的 其 表 ⾯面 可 能 較 其 他 樣 品 粗 糙。︒｡⽽而 我 們 計 算 出 的

⾃自 旋 電 流 密 度（ spin current density）與 的 ⾃自 旋 霍 爾 旋 轉 ⾓角（ spin Hall

angle）結 果 也 分 別 與 國 內 外 的 明 尼 蘇 達 ⼤大 學 的 Mahdi Jamali 團 隊 [45]

與 清 華 ⼤大 學 郭 瑞 年 ⽼老 師 團 隊 [46]之 結 果 ⼗十 分 接 近，這 顯 ⽰示 我 們 的 樣 品 品 質 與 他 們 的 差 異 不 ⼤大，因 此 可 推 論 我 們 的 量 測 結 果 是 來 ⾃自 鐵 磁 層 與 拓 樸 絕 緣 體 表 ⾯面 態 的 交 換 交 互 作 ⽤用 （ exchange interaction） 。︒｡

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附錄⼀一

釔鐵柘榴⽯石/鉍化硒雙層薄膜（YIG/Bi²Se3）室溫鐵磁共振量測

由清華⼤大學物理系郭瑞年⽼老師實驗室所成⾧長的⾼高品質 YIG/Bi²Se3雙層模異 質結構樣品與我們實驗室合作，部份數據由劉有騏、︑､范姜宇廷協助量測整理如 下。︒｡

圖附 1.1  YIG  24nm 室溫鐵磁共振量測結果，不同顏⾊色的線代表不同磁場下的 鐵磁共振情形。︒｡  

4.20E +009 4.90E+009 5.60E +009

- 0.04 - 0.02

0.00

ESP033( YIG24nm)

dB

Hz (frequency)

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圖附 1.2  YIG  24nm 雙層薄膜室溫鐵磁共振頻率對磁場作圖，⿊黑⽅方框部分為

原始數據、︑､紅線為 Kittel equation 則是以有效場（H^eff）、︑､旋磁⽐比為參數，單位體 積飽和磁化量（M^S）固定在室溫 300K 時的數值（1935Oe），來擬合（fitting）的 曲線。︒｡  

在定場掃頻量測 YIG 樣品時，發現其鐵磁共振訊號較 Py 微弱許多，故我們改採 定頻掃場（1.5GHz～7GHz）的⽅方式來量測 YIG 樣品，⽽而訊號品質相對之下更為 清晰，因此 YIG 系列的樣品都採⽤用定頻掃場的⽅方式量測，並以 Lorentz function 來擬合（fitting）定頻掃場的數據：

w為曲線半⾼高寬（Gilbert damping constants 的 ΔH），X^C為共振場，y0為 offset，

A為 amplitude。︒｡

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 0

1G 2G 3G 4G 5G 6G

ESP033( YIG24nm)

resonance frequency(Hz)

resonance field(Oe)

‧

field (Oe)

ESP034(YIG27nm) 1.5GHz

-4 50 -400 -350 -300 -250 -200

0.005 ESP034(YIG27nm) 2GHz

dB

field (Oe)

-550 -500 -450 -400 -350 -300

-0.030

0.005 ESP034(YIG27nm) 2.5GHz

dB

field (Oe)

-7 50 -700 -650 -600 -550 -500

0.005 ESP034(YIG27nm) 3GHz

dB

field (Oe)

-900 -850 -800 -750 -700 -650 -600

-0.04

ESP034(YIG27nm) 3.5GHz

dB

field (Oe)

-1150 -1100 -1050 -1000 -950 -900 -850 -800 -0.05

0.01 ESP034(YIG27nm) 4GHz

dB

field (Oe)

-12 50 -1200 -1150 -1100 -1050 -1000 -0.05

0.01 ESP034(YIG27nm) 4.5GHz

dB

field (Oe)

-1450 -1400 -1350 -1300 -1250 -1200 -1150 -1 100 -1050 -0.06

0.01 ESP034(YIG27nm) 5GHz

dB

field (Oe)

‧

下，分別為 1.5GHz～7GHz 的定頻掃場的量測數據，⿊黑⽅方框部分為原始數據、︑､紅 線為 Lorentzian Function 來擬合（fitting）的曲線。︒｡  

-1600 -1550 -1500 -1450 -1400 -1350 -1300 -1250 -0.06

0.01 ESP034(YIG27nm) 5.5GHz

dB

field (Oe)

-1750 -1700 -1650 -1600 -1550 -1500

-0.07

0.01 ESP034(YIG27nm) 6GHz

dB

field (Oe)

-1820 -1800 -1780 -1760 -1740 -1720 -1700 -1680 -0.07

0.01 ESP034(YIG27nm) 6.5GHz

dB

field (Oe)

-2020 -2000 -1980 -1960 -1940 -1920 -1900 -1880 -0.07

0.01 ESP034(YIG27nm) 7GHz

dB

field (Oe)

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圖附 1.4  YIG  27nm 雙層薄膜室溫鐵磁頻率對共振場作圖，⿊黑⽅方框部分為原

始數據、︑､紅線為 Kittel equation 則是以有效場（H^eff）、︑､旋磁⽐比為參數，單位體積 飽和磁化量（M^S）固定在室溫 300K 時的數值（1935Oe），來擬合（fitting）的曲 線。︒｡  

0 200 400 600 800 100012001400160018002000 1G

2G 3G 4G 5G 6G

7G

ESP034( YIG27nm)

frequency (Hz)

field (Oe)

‧

0.004 TI374(YIG27nm / Bi₂Se₃25nm) 1.5GHz

dB

field (Oe)

-450 -400 -350 -300 -250 -200 -150 -100

-0.014

0.006 TI374(YIG27nm / Bi₂Se₃25nm) 2GHz

dB

field (Oe)

-550 -500 -450 -400 -350 -300

-0.016

0.004 TI374(YIG27nm / Bi₂Se₃25nm) 2.5GHz

dB

field (Oe)

-6 50 -600 -550 -500 -450 -400

0.005 TI374(YIG27nm / Bi₂Se₃25nm) 3GHz

dB

field (Oe)

-850 -800 -750 -700 -650 -600 -550 -5 00 -450

0.005 TI374(YIG27nm / Bi₂Se₃25nm) 3.5GHz

dB

field (Oe)

-1100 -1 050 -1000 -950 -900 -850

-0.025

0.005 TI374(YIG27nm / Bi₂Se₃25nm) 4.5GHz

dB

field (Oe)

-1250 -1 200 -1150 -1100 -1050 -1000

-0.025

0.005 TI374(YIG27nm / Bi₂Se₃25nm) 5GHz

dB

field (Oe)

-1400 -1350 -1300 -1250 -1200 -1150 -1100 -1050 -1000 -0.025

0.005 TI374(YIG27nm / Bi₂Se₃25nm) 5.5GHz

dB

field (Oe)

‧

⾄至右、︑､上⾄至下，分別為 1.5GHz～7GHz 的定頻掃場的量測數據，⿊黑⽅方框部分為原 始數據、︑､紅線為 Lorentzian Function 來擬合（fitting）的曲線。︒｡  

-1550 -1500 -1450 -1400 -1350

-0.025

0.005 TI374(YIG27nm / Bi₂Se₃25nm) 6GHz

dB

field (Oe)

-1750 -1 700 -1650 -1600 -1550 -1500

-0.025

0.005 TI374(YIG27nm / Bi₂Se₃25nm) 6.5GHz

dB

field (Oe)

-1900 -1850 -1800 -1750 -1700 -1650 -1600 -0.025

0.005 TI374(YIG27nm / Bi₂Se₃25nm) 7GHz

dB

field (Oe)

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圖附 1.6  YIG27nm/Bi²Se325nm雙層薄膜室溫鐵磁頻率對共振場作圖，⿊黑⽅方

框部分為原始數據、︑､紅線為 Kittel equation 則是以有效場（H^eff）、︑､旋磁⽐比為參數，

單位體積飽和磁化量（M^S）固定在室溫 300K 時的數值（1935Oe），來擬合（fitting）

的曲線。︒｡  

0 200 400 600 800 100012001400160018002000 1G

2G 3G 4G 5G 6G 7G

8G

TI374( YIG27nm / Bi

₂

Se

₃

25nm)

frequency (Hz)

field (Oe)

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圖附 1.7  YIG25nm/Pt16nm 雙層薄膜室溫鐵磁頻率對共振場作圖，⿊黑⽅方框

部分為原始數據、︑､紅線為 Kittel equation 則是以有效場（H^eff）、︑､旋磁⽐比為參數，

單位體積飽和磁化量（M^S）固定在室溫 300K 時的數值（1935Oe），來擬合（fitting）

的曲線。︒｡（清⼤大郭瑞年⽼老師實驗室劉有騏量測數據）  

400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2.0G

4.0G 6.0G

resonance frequency(Hz)

resonance field(Oe)

YIG25nm/Pt16nm

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圖附 1.8 YIG25nm/Bi²Se315nm雙層薄膜室溫鐵磁共振頻率對共振場作圖，

⿊黑⽅方框部分為原始數據、︑､紅線為 Kittel equation 則是以有效場（H^eff）、︑､旋磁⽐比為 參數，單位體積飽和磁化量（M^S）固定在室溫 300K 時的數值（1935Oe），來擬 合（fitting）的曲線。︒｡（清⼤大郭瑞年⽼老師實驗室范姜宇廷量測數據）  

0 200 400 600 800 100012001400160018002000 1G

2G 3G 4G 5G 6G

7G

TI399( YIG25nm / Bi

₂

Se

₃

15nm)

resonance frequency(Hz)

resonance field(Oe)

‧

0 400 800 1200 1600 2000 0

fr eq u e n cy (G H z)

H

_FMR

(Oe)

ESP033 ESP034 Pt on YIG

Bi2Se3 on YIG (TI374) Bi2Se3 on YIG (TI399)

400 800 1200 1600

2 3 4 5

fr eq u e n cy (G H z)

H

_FMR

(Oe)

ESP033 ESP034 Pt on YIG

Bi2Se3 on YIG (TI374) Bi2Se3 on YIG (TI399)

‧

µ0為 vacuum permeability，γ 為旋磁⽐比（gyromagnetic ratio），f 為頻率，α 為 Gilbert damping parameter。︒｡所以當半⾼高寬對頻率做圖的斜率越⾼高，代表其 Gilbert damping parameter的值越⼤大。︒｡

0 1 2 3 4 5 6 7

ESP034 Pt on YIG

Bi2Se3 on YIG (TI374) Bi2Se3 on YIG (TI399)

Δ H (O e )

frequency (GHz)

在文檔中 鐵磁材料/拓樸絕緣體（鎳鐵合金/碲化鉍）雙層薄膜結構之自旋幫浦效應 - 政大學術集成 (頁 142-159)