自旋阀中的极化输运及相关自旋新材料、结构研究

摘要

电子既是电荷的载体又是自旋的载体。电子作为电荷的载体，使二十世纪无疑成为了微电子学的天下。而随着1988年巨磁电阻(GMR)效应发现以来，通过操纵电子的另一量子属性——自旋，使新一代的电子器件又多了一维控制手段。 电子自旋的研究涵盖了金属磁性多层膜、磁性氧化物、磁性半导体等众多的体系，探寻这些体系中自旋输运的基本原理是研究的重点。目前，基于传统自旋阀中极化输运及自旋电子学发展对新材料、新结构的研究尚不成熟，还有众多科学问题亟待解决，诸如：如何在室温下获得更大的巨磁电阻变化率、提高器件的稳定性及灵敏度、自旋阀中交换偏置场产生的物理根源、实现自旋同半导体完美结合的材料、结构及方法等。因此，本论文研究工作基于国内外自旋电子学研究的重点，首先围绕最基本的自旋阀纳米多层膜结构，开展了自旋阀多层膜制备、设计、结构优化、自旋阀交换偏置核心结构物理机制探索等研究：其次，提出了三种异质结新结构，并以大自旋极化率Fe3O4磁性半金属为核心材料，开展了自旋阀、新异质结研究；最后，在理论、材料研究基础上，对自旋器件进行了设计与实验研究，获得了一些有益的结果。主要内容为： (1)理论方面，基于自旋电子器件的进一步发展对新结构、新材料发展需求，提出了磁性半导体/半导体、磁性半导体/磁性半导体、自旋滤波材料/自旋滤波材料的新自旋异质结模型，理论分析发现利用磁性半导体/半导体异质结在负偏压的作用下可实现自旋电子的极化输运，而利用磁性半导体/磁性半导体、自旋滤波材料/自旋滤波材料异质结可实现趋于100％的磁电阻变化率，另外通过计算对可实现的磁阻效应及对材料的要求进行了详细的研究，为新材料的应用奠定了一定的理论基础。 (2)虽然基于自旋阀核心结构的自旋电子器件研究已开展了多年，但如何进一步提高自旋电子器件的磁电阻效应、灵敏度、工作范围、工作稳定性等，探寻解决这些问题的物理机制仍是自旋电子学中的一个热点研究课题。因而，首先基于Mott二流体模型发现自旋阀巨磁电阻受磁性材料、非磁性材料、自旋极化率、自旋扩散长度、厚度、尺寸、电阻率等影响明显，因而可通过改善制备工艺条件及各层的材料、厚度改善自旋阀的性能，探寻提高巨磁电阻变化率、灵敏度等的有效途径。其次，以理论分析为指导，实验上首先制备Ta/NiFe/Cu/NiFe/FeMn传统自旋阀多层膜，研究了自由层、隔离层、钉扎层、反铁磁层厚度对巨磁电阻效应的影响，找到了最佳的制备工艺；其次，研究了缓冲层材料对自旋阀灵敏度、巨磁电阻效应的影响，发现由于缓冲层元素表面自由能的影响导致了自旋阀灵敏度的改变，指出选择适当表面自由能的缓冲层，可有效改善自由层薄膜的性能，为提高器件的灵敏度提供有效的途径；最后，基于室温磁场下制备自旋阀交换偏置场较小、工作范围较窄的问题，通过对传统结构的改进，提出了新型双交换偏置场自旋阀模型，为增大器件工作稳定性、人为调制器件工作范围的提供了有效手段。 (3)交换偏置在自旋电子器件中具有核心地位，但到目前为止其产生的物理根源、影响其大小的因素仍是一未解决的难题。因而，本论文基于自旋阀的核心结构——铁磁/反铁磁交换偏置效应，研究了NiFe/FeMn双层膜钉扎层、被钉扎层厚度、材料微结构、底钉扎、顶钉扎结构等对交换偏置的影响，分析了交换偏置产生的物理根源；研究了制备磁场大小对钉扎场大小的影响，发现了利用大磁场可实现提高交换偏置的新方法，并利用6500e的大磁场在1-2nm的NiFe钉扎层中实现了接近600Oe的交换偏置场。 (4)基于自旋阀测试，研究了初始测试磁场平行与反平行于交换偏置场方向，测试电流的大小对交换偏置场的影响，并用大脉冲电流在初始测试磁场反平行于交换偏置场方向的样品中首次实现电流矩在电流沿膜面流动自旋阀结构中对钉扎场的翻转，为铁磁/反铁磁双层膜体系产生交换偏置的机理提供了新的研究途径，并对自旋阀的应用提出了新的挑战。 (5)为探寻高自旋极化率的新材料，开展了半金属磁性材料Fe3O4薄膜制备工艺的研究。通过改变溅射功率、退火温度、缓冲层、磁场沉积等，在200W溅射功率、300℃的退火温度、300Oe沉积磁场的最佳条件下获得了高晶粒织构、成分单一Fe3O4薄膜，并通过对氧气氛的调节，实现了无缓冲层高性能Fe3O4薄膜的制备。 (6)利用所制备的Fe3O4薄膜，进行了基于Fe3O4自旋阀的制备，发现Fe3O4薄膜同其它金属材料间电阻率的失配，是造成巨磁电阻效应低的原因；另外，基于理论提出的磁性材料/半导体异质结，制备了Fe3O4/n-Si纳米结，初步实现了磁性材料到半导体的自旋注入与输运。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1自旋电子学发展概述

1.2自旋阀型巨磁电阻效应及其应用

1.2.1自旋阀原理与结构

1.2.2铁磁/反铁磁双层膜中的交换偏置

1.2.3自旋阀巨磁电阻的应用

1.2.4自旋阀结构及材料面临的问题

1.3磁性半金属材料简介及研究需求

1.4本论文的主要内容和研究方法

第二章自旋输运物理机制研究

2.1自旋电子学中的几个核心物理量

2.1.1自旋极化和自旋相关散射

2.1.2自旋弛豫和自旋扩散长度

2.2基于Mott二流体电阻网络的磁电阻物理模型研究

2.3基于新结构的自旋输运物理模型研究

2.3.1磁性半导体/半导体纳米结自旋输运特性研究

2.3.2磁性半导体/磁性半导体纳米结自旋输运特性研究

2.3.3双自旋滤波隧道结自旋输运特性研究

2.4小结

第三章自旋阀输运特性研究

3.1引言

3.2典型自旋阀制备工艺及性能研究

3.3自旋阀灵敏度研究

3.4新型双交换偏置场自旋阀研究

3.5小结

第四章铁磁/反铁磁双层膜交换偏置效应研究

4.1引言

4.2交换偏置理论模型

4.2.1 Mauri理论模型

4.2.2反铁磁表面未补偿自旋模型

4.3铁磁/反铁磁双层膜体系交换偏置研究

4.3.1铁磁层厚度对交换偏置的影响

4.3.2底钉扎与顶钉扎双层膜对交换偏置的影响

4.3.3沉积磁场对交换偏置的影响

4.4电流矩对交换偏置的影响

4.4.1巨磁电阻中自旋转移理论

4.4.2电流矩改变及翻转交换偏置场

4.5小结

第五章大自旋极化率Fe3O4薄膜制备及应用研究

5.1引言

5.2 Fe3O4材料基本性能

5.3 Fe3O4薄膜制备研究

5.3.1溅射功率对薄膜成分的影响

5.3.2缓冲层Ta对Fe3O4薄膜成膜的影响

5.3.3退火温度对Fe3O4薄膜性能的影响

5.3.4磁场下沉积Fe3O4薄膜研究

5.3.5无缓冲层Fe3O4薄膜制备研究

5.4 Fe3O4薄膜应用初步研究

5.4.1 Fe3O4薄膜在自旋阀中的应用研究

5.4.2 Fe3O4/n-Si异质结磁输运特性的研究

5.5小结

第六章总结与展望

致谢

参考文献

攻读博士期间取得的研究成果