基于基底偏压驱动的溅射工艺制备的β相钨薄膜，适用于自旋电子学应用

《Thin Solid Films》：Substrate-bias driven sputter deposited β-phase dominated tungsten film for spintronic applications

通过直流溅射结合基底偏压调控，成功制备了高纯度β-钨薄膜，抑制α相形成并优化了表面粗糙度与晶粒尺寸，发现β-钨/铂异质结中存在显著自旋泵流效应，有效阻尼常数提升为α-钨/铂结构的3.5倍，为spintronics应用提供了新方法。

　　β-钨（β-W）作为一种具有A15立方晶体结构的钨相，在自旋电子学领域引起了广泛关注。与具有体心立方（BCC）结构的α-钨（α-W）相比，β-W展现出显著更大的自旋霍尔角（Spin Hall Angle, SHE），使其成为实现高效自旋电流转换的理想材料。这一特性对于开发下一代电子和计算设备至关重要，因为这些设备通常依赖于自旋流来控制磁化动力学，包括通过自旋转移力矩（Spin Transfer Torque, STT）或自旋轨道力矩（Spin Orbit Torque, SOT）机制实现的电流驱动磁性开关。因此，制备高质量的β-W薄膜对于推动自旋电子学技术的发展具有重要意义。

在本研究中，我们采用直流磁控溅射技术，在SiO?/Si基底上实现了对β-W薄膜的可控生长。研究发现，基底偏压在调控沉积原子能量、稳定β相方面起到了关键作用。通过调整基底偏压，我们成功地在较宽的厚度范围内形成了β-W薄膜。此外，我们还发现，当基底偏压为+50 V时，β-W薄膜表现出较低的表面粗糙度和较小的晶粒尺寸。这一现象表明，基底偏压不仅有助于β相的稳定，还能够优化薄膜的微观结构，从而提高其在自旋电子学应用中的性能。

在自旋泵浦现象的研究方面，我们探讨了不同钨相在基底偏压调控下的表现。自旋泵浦是指在磁性材料中，由于自旋-轨道耦合（Spin-Orbit Coupling, SOC）的存在，自旋流可以从磁性层传递到非磁性层。我们利用铁磁共振（Ferromagnetic Resonance, FMR）技术测量了β-W/Py和α-W/Py薄膜的有效阻尼常数（α_eff）。结果表明，β-W/Py薄膜的阻尼常数明显高于α-W/Py薄膜，这表明β-W在自旋泵浦过程中表现出更强的自旋流传输能力。这一发现进一步验证了β-W在自旋电子学应用中的优越性，特别是在需要高效自旋电流转换的场景中。

值得注意的是，基底偏压的使用并未影响薄膜与基底之间的界面质量。这一结果强调了基底偏压在薄膜工程中的有效性，因为它不仅能够调控相变过程，还能够保持良好的界面特性，这对于实现高性能的自旋电子器件至关重要。相比之下，传统方法如使用氧气等离子体来促进β相的形成，虽然在一定程度上有效，但可能会对相邻的磁性层造成氧化，从而影响自旋轨道力矩（SOT）的效率。因此，基底偏压提供了一种更为可靠和可控的手段，以实现β-W薄膜的高质量制备。

在薄膜制备过程中，我们采用了一系列优化的工艺参数，包括基底偏压、溅射功率和沉积速率等。这些参数共同作用，使得β-W薄膜能够在不同的厚度范围内稳定存在。通过X射线衍射（XRD）和原子力显微镜（AFM）等表征手段，我们进一步验证了基底偏压对薄膜相态和微观结构的影响。研究发现，当基底偏压为+50 V时，薄膜表现出β相的特征，而在?100 V的偏压条件下，薄膜则主要由α相构成。这一结果表明，基底偏压可以作为一种有效的手段，用于实现对钨相的精确控制。

此外，我们还探讨了基底偏压对自旋电子学性能的影响。自旋霍尔效应（SHE）和自旋轨道力矩（SOT）是自旋电子学中的两个核心概念，它们分别描述了自旋电流的产生和磁性层的操控。β-W由于其强自旋-轨道耦合特性，被认为是实现高效自旋霍尔效应的最佳候选材料之一。通过实验，我们发现基底偏压不仅能够促进β相的形成，还能够增强其自旋霍尔效应的强度。这一发现对于设计和优化基于β-W的自旋电子器件具有重要的指导意义。

在实际应用中，β-W薄膜的稳定性是其能否被广泛采用的关键因素之一。由于β相在某些条件下容易发生相变，导致其结构不稳定，因此需要一种有效的方法来稳定其相态。基底偏压的引入提供了一种可行的解决方案，因为它能够在不引入杂质的情况下，通过调控沉积原子的能量来实现对β相的稳定。这种稳定机制不仅适用于当前的研究，还可能为其他具有相变特性的材料提供借鉴。

从技术角度来看，基底偏压的使用为自旋电子学领域带来了新的可能性。传统的自旋电子学材料如铂（Pt）和钯（Pd）虽然在自旋霍尔效应方面表现出色，但它们的制备过程往往较为复杂，且成本较高。相比之下，β-W作为一种相对容易制备的材料，其自旋霍尔效应的强度足以与这些传统材料相媲美。因此，通过基底偏压实现β-W薄膜的稳定生长，不仅降低了制备成本，还提高了材料的可扩展性和实用性。

在自旋电子学器件的设计中，薄膜的厚度和微观结构对其性能有着直接的影响。例如，自旋电流的传输效率与薄膜的厚度密切相关，而晶粒尺寸和表面粗糙度则会影响自旋流的散射和损耗。因此，能够通过基底偏压在不同厚度范围内实现β-W薄膜的稳定生长，对于开发具有不同功能需求的自旋电子器件具有重要意义。此外，我们还发现，基底偏压对薄膜性能的影响具有一定的可预测性，这使得其在实际应用中具有更高的可控性。

本研究的结果不仅拓展了β-W薄膜的制备方法，还为自旋电子学领域的材料工程提供了新的思路。通过基底偏压调控相变过程，我们能够实现对薄膜性能的精确控制，从而满足不同应用场景的需求。这种可控的相变机制为未来的自旋电子学器件设计和制造提供了理论依据和技术支持。此外，研究还表明，基底偏压的应用不会对薄膜的界面质量造成负面影响，这进一步增强了其在实际应用中的可行性。

综上所述，基底偏压在β-W薄膜的制备中扮演了至关重要的角色。它不仅能够有效稳定β相，还能够优化薄膜的微观结构，提高其在自旋电子学应用中的性能。随着自旋电子学技术的不断发展，对高性能自旋电子材料的需求也在不断增加。β-W作为一种具有巨大潜力的材料，其稳定生长和可控相变的能力将为未来的自旋电子学器件提供新的选择。本研究的结果表明，基底偏压是一种高效且可靠的方法，能够在不引入杂质的情况下实现β-W薄膜的高质量制备，从而推动自旋电子学技术的进一步发展。