基于非磁性半导体Ge的Al/Ge肖特基结中的整流磁电阻效应的研究

摘要

磁电阻效应即材料在外磁场作用下，电阻随磁场发生变化的一种现象，由William Thomson在1851年首次发现，随后在1857年，他在研究金属铁和镍的磁电阻效应时发现了各向异性磁电阻效应，即材料电阻大小与外加磁场和电流的方向有关。磁电阻效应在理论研究与实际应用上具有重大价值，受到了广泛的关注与研究。
　　到目前为止，广泛研究的磁电阻材料主要包括两类:磁性材料和非磁性材料。磁电阻的研究在磁性材料方面已经取得了显著的成果，例如在磁性多层膜和颗粒膜体系中发现了基于自旋极化散射和自旋极化隧穿机制的巨磁电阻效应(GMR)和隧道磁电阻效应(TMR)，在掺杂的钙钛矿锰氧化物体系中发现了因为高温顺磁绝缘态向低温铁磁金属态转变而导致的庞磁电阻效应(CMR)。这些磁电阻效应均是电阻随着外磁场增加而减小的负磁电阻效应。相反，1997年Xu等人在非磁性的窄带系半导体Ag2Se和Ag2Te中发现了巨大的正磁电阻效应，电阻随着外磁场的增加成近乎线性的关系增大，称之为异常磁电阻效应(EMR)。自此，对非磁性半导体中磁电阻的研究逐渐受到更多人的关注，多种异常磁电阻的产生机制也被人们发现，主要包括材料内禀非均匀性、材料能带结构的变化及几何效应等。
　　由于非磁性材料没有巴克豪森效应，与GRM、TMR等相比，EMR具有高稳定性、高精度、低功耗等优点，因此异常磁电阻效应有望使未来的磁电阻器件在尺寸方面取得重大突破。
　　在论文中，我们在Al/Ge/Al异质结中发现了一种新型的磁电阻效应—整流磁电阻(RMR)。整流磁电阻起源于异质结同时具备正常的磁电阻效应和整流效应两个性质。磁电阻效应和整流效应是两个基本物理学性质，在我们提出整流磁电阻之前，人们对其研究都是相互独立、互不相关的，这严重的影响了我们对静电反应和自旋动力学之间相互作用的理解和探究，限制了自旋电子器件的进一步发展。而整流磁电阻的发现打破了这种情况，有可能进一步促进自旋电子技术的发展。
　　我们实验结果主要包括一下几部分
　　(1)整流磁电阻的发现:我们通过光刻、电子束蒸发、退火等工艺制备了圆形的肖特基异质结（或二极管），然后通过Keithley6221电流源表给样品施加一个纯正弦交流电流，测量样品的整流电压随外磁场的变化情况。发现，此整流电压随着外磁场的增大而增大，在室温下获得了高达250％的磁电阻。作为对比，我们也测量了样品施加直流电流时的磁电阻，得到70％左右的直流磁电阻。系统研究还发现，整流磁电阻效应源自磁电阻效应和整流效应同时的作用。整流磁电阻效应的发现为磁电阻效应的研究提供了一个新方向。
　　(2)基于Ge的肖特基器件中的电调控的整流磁电阻效应:我们在单抛Ge<100>衬底（电阻率为55.6-59.4Ω·cm）上制备了长条型的Al/Ge/Al肖特基异质结，样品大小约为5mm×2mm。其中一个电极为欧姆接触，另一个为肖特基接触。我们通过Keithley6221电流源表给样品同时施加一个交流电流和一个直流电流，改变直流电流的大小或方向，发现其RMR的大小和极性均可发生很大的变化。室温、6T的磁场下，当AC current=0.1 mA、DC current=5.228μA时，可以得到高达32500％的正磁电阻，当AC current=0.1mA、DCcurrent=7.6μA时，得到了-530％的负磁电阻。这一显著的磁电阻变化表明同时施加交流电流和直流电流可以有效的调控具有整流磁电阻效应的器件的磁电阻的大小和极性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

第一节 磁电阻效应

第二节 磁性材料的磁电阻效应

2．1 各向异性磁电阻效应(AMR)

2．2 巨磁电阻效应(GMR)

2．3 隧穿磁电阻效应(TMR)

第三节 非磁性材料的磁电阻效应

3．1 正常磁电阻效应(OMR)

3．2 非磁性半导体中的异常磁电阻效应(EMR)

第四节 本文的研究动机和内容

第二章 样品的制备和分析测试方法

第一节 薄膜制备技术

1．1 电子束蒸发法

1．2 磁控溅射法

1．3 脉冲激光沉积技术

第二节 样品分析测试设备与方法

2．1 X射线衍射仪(XRD)

2．2 交流梯度磁强计(Alternating Gradient Magnetometer，AGM)

2．3 超导量子干涉仪(SQUID)

第三章 非磁性Al／Ge／Al异质结中整流磁电阻效应的发现

第一节 引言

1．1 磁电阻效应和金属-半导体接触的研究现状

1．2 整流磁电阻效应的提出

第二节 Al／Ge／Al异质结的制备

2．1 样品制备过程

2．2 样品结构示意图及伏安特性曲线

第三节 Al／Ge／Al异质结磁电阻效应的研究

3．1 样品测试过程介绍

3．2 样品磁电阻效应的测量

3．3 整流磁电阻随交流幅值和交流频率的变化

3．4 整流磁电阻的对照试验

3．5 整流磁电阻效应的产生机理

第四节 总结

第四章 整流磁电阻的电调控

第一节 引言

第二节 In／Al／Ge／In异质结磁电阻的电调控

2．1 样品的制备

2．2 样品测试过程介绍

2．3 样品的DC+AC伏安特性曲线测量

2．4 样品的DC+AC磁电阻效应测量

2．4 样品的RMR随交流幅值和频率的变化

2．5 样品磁电阻电调控过程的产生机理

第三节 总结

第五章 总结与展望

第一节 论文主要内容总结

第二节 论文特色与创新

第三节 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文

硕士期间参加的学术会议