电场对有序多孔金属氧化物磁性的调控

摘要

室温下非磁场驱动磁化矢量反转的金属氧化物半导体材料在新的数据存储和自旋电子器件方面有着重要的应用背景，有望同时利用电子的电荷属性和自旋属性。但从目前的研究结果来看，这些金属氧化物半导体材料中所具有的室温铁磁性都非常微弱，其饱和磁化强度通常每立方厘米只有几个emu，且其中的物理机制尚不清楚，因而电场调控磁矩转变行为的研究并未广泛引起科研人员的注意，从而限制了对该类材料的深入研究及实际应用。为此，探寻具有明显阻变特性及大的室温铁磁性的多功能材料，并科学阐述其中的物理机制是突破上述障碍的关键，而其中的首要问题是寻找具有大的室温铁磁性的宽禁带金属氧化物介质材料。因此，本文采用电化学和反应磁控溅射方法制备了有序多孔金属氧化物薄膜，期待能够解决上述问题。 论文的研究内容主要包括三部分：首先采用磁控溅射和电化学的方法制备具有大室温铁磁性的有序多孔金属氧化物薄膜；其次对有序多孔金属氧化物薄膜的阻变特性进行分析；最后研究外加电场对有序多孔金属氧化物薄膜铁磁性的调控行为。课题的开展将为研制新的多功能数据存储（同时满足阻变存储和磁性存储）提供理论与实验依据。研究结果如下： (1)以阳极氧化铝(PAA)为基底，利用直流磁控溅射法制备了单斜晶相的多孔HfO2薄膜。实验发现多孔HfO2薄膜具有明显的室温铁磁性，垂直于薄膜表面方向的最大饱和磁化强度可以达到128 emu/cm3，通过实验和理论分析，发现多孔HfO2薄膜的室温铁磁性的来源与氧化物的多孔结构以及单电子氧空位之间的交换耦合有关。 (2)制备了Ag/HfO2/PAA/Al器件，通过I-V特性的表征，发现该器件展现出稳定的双极电阻开关特性，高低阻态之间的转换与体系中的氧空位导电细丝的形成和断裂有关。通过触发器件到高阻态或者低阻态，薄膜的磁性会发生相应地变化。这说明在外加电场的作用下，利用HfO2/PAA复合薄膜的电阻转换行为可以实现对其磁性的调控。这样就使得多孔HfO2薄膜有望成为一种集阻变存储和磁性存储于一身的多功能材料。这一目标的实现为有序多孔结构金属氧化物薄膜在多功能数据存储器和自旋电子器件中的应用奠定了基础。 (3)以PAA为基底，利用直流磁控溅射法制备了面心立方结构的多孔MgO薄膜。研究发现多孔的MgO薄膜具有明显的室温铁磁性，制备态的MgO薄膜的饱和磁化强度值最大可以达到78 emu/cm3，其磁性比以往文献报道中的致密型MgO薄膜的磁性至少大一个数量级，证明了有序多孔结构的MgO薄膜是一种具有明显室温铁磁性的宽禁带金属氧化物材料。通过对退火处理前后样品的磁性测试及PL谱分析，发现MgO薄膜的室温铁磁性与材料的有序多孔结构以及其中大量氧空位的存在密切相关。 (4)制备了Ag/MgO/PAA/Al器件，研究了该器件在电场作用下的电致电阻与磁性的共调控现象。在该器件中，不仅观察到了set与reset过程中所发生的双极阻变现象，同时还获得了较为显著的电场调控磁性的行为。总之，Ag/MgO/PAA/Al器件实现了在电场作用下同时调控阻变和磁性的现象。这种在未掺杂多孔MgO薄膜中观察到的电场可以同时调控阻变及室温铁磁性的行为有望在超高密度存储以及多功能信息逻辑存储领域中得到广泛应用。 (5)以PAA为基底，应用相同的方法制备了多孔正方金红石结构的SnO2薄膜，制备态的SnO2薄膜在out-of-plane方向上的饱和磁化强度可以达到29 emu/cm3。由于SnO2薄膜导电性能很好且其阻变程度受氧空位浓度的影响较大，因此我们对退火前后的样品分别制备了Ag/SnO2/PAA/Al器件，并对其导电性能进行了测试。测试结果发现制备态的Ag/SnO2/PAA/Al器件具有双极阻变特性，而真空退火后的薄膜在器件的I-V测试中表现为欧姆特性，氧气退火后样品的I-V特性表现为近似欧姆特性，主要原因是退火后薄膜的结晶性更好，因此导电性能提高。另外，氧气退火后薄膜的电阻值明显大于真空退火后的样品，主要原因是氧气退火后的SnO2薄膜中的氧空位浓度低于真空退火后的薄膜样品所导致的。最后研究了电场作用下电致电阻与磁性的共调控现象。实验结果发现在制备态的SnO2/PAA样品中观察到了电场调控其室温铁磁性的现象。进一步分析认为基于阻变效应的外加电场调控SnO2/PAA铁磁性的改变来源于Ag/SnO2/PAA/Al器件阻变过程中氧空位导电细丝的生成与湮灭过程。这种电场同时调控室温铁磁性和阻变特性的材料有望应用在自旋存储器和高效的数据存储技术中。

目录

声明

1 绪 论

1.1 稀磁半导体概述

1.2 铁磁性起源的理论模型

1.3 电场对磁性的调控研究

1.4 本论文的选题依据及意义

2 制备方法与表征技术

2.1 PAA模板的制备

2.2 磁控溅射沉积技术

2.3 薄膜样品表征方法

3 Ag/HfO2/PAA/Al器件中电阻转变与电场对磁性的调控

3.1 引言内容

3.2 多孔HfO2薄膜的制备

3.3 HfO2薄膜结构和形貌的表征

3.4 多孔HfO2薄膜铁磁性的表征及磁性本质的研究

3.5 Ag/HfO2/PAA/Al器件的阻变行为及阻变效应机制的研究

3.6 基于阻变效应，电场对HfO2/PAA(HP)复合薄膜磁性的调控

3.7 本章小节

4 Ag/MgO/PAA/Al器件中电阻转变与电场对磁性的调控

4.1 引言

4.2 多孔MgO薄膜的制备

4.3 多孔MgO薄膜结构和形貌的表征

4.4 多孔MgO薄膜铁磁性的表征及磁性本质的研究

4.5 Ag/MgO/PAA/Al器件的阻变行为及阻变效应机制的研究

4.6 基于阻变效应，电场对MgO/PAA(MP)复合薄膜磁性的调控

4.7 本章小节

5 Ag/SnO2/PAA/Al器件中电阻转变与电场对磁性的调控

5.1 引言

5.2 多孔SnO2薄膜的制备

5.3 SnO2薄膜形貌的表征

5.4 多孔SnO2薄膜铁磁性的表征及磁性本质的研究

5.5 Ag/SnO2/PAA/Al器件的阻变行为及阻变效应机制的研究

5.6 基于阻变效应，电场对SnO2/PAA(SP)复合薄膜磁性的调控

5.7 本章小节

6 总结

6.1 结论

6.2 工作创新点

6.3 展望

参考文献

致谢

攻读博士学位期间取得的科研成果