纳米异质结中自旋相关输运的研究

摘要

自旋轨道力矩效应凭借其集成密度高、读取速度快、能耗低等特点，已经成为了自旋电子学的研究热点，而利用自旋流替代磁场实现对磁矩的操控是自旋电子学实用化的关键。掌握自旋轨道力矩效应的物理机制以及调控翻转电流和自旋轨道力矩效应诱导的有效场，同时构建起电流和热流之间的关联实现多自由度的耦合，是自旋轨道力矩效应发展的关键科学问题。本论文围绕以上问题，在Pt/Co/Pt 和 FeCo/Cu/FeNi 异质结中分别开展了自旋轨道力矩温度特性以及电输运和热输运关联性等方面的研究，取得的主要结论如下：　　1、基于铁磁性金属/非磁性重金属异质结的自由能，分别阐述了在面外和面内磁化体系中，自旋轨道力矩诱导的有效场的计算方法，为自旋轨道力矩的测试提供了理论基础。　　2、基于谐波霍尔电压测试方法，系统地研究了 Pt/Co/Pt 垂直磁化异质结中自旋轨道力矩的温度特性。相比于不对称结构，由于对称的Pt/Co 界面的引入，damping-like力矩明显受温度调制。当异质结温度从50 K升高到300 K时，damping-like力矩从3.7×10-6 Oe/(A·cm-2)增加到了4.8×10-6 Oe/(A·cm-2)，同时在300 K温度下，获得了一个较低的翻转电流密度(2.30 × 106A/cm2)和较大的自旋霍尔效率(0.15)。最后，利用内禀自旋霍尔机制以及磁临近效应对damping-like力矩的温度特性进行了理论解释，并且发现在Rashba效应被减弱的体系中，很可能是自旋交换模型主导了field-like力矩的温度特性。　　3、系统研究了 FeCo/Cu/FeNi 异质结中不同温度下的不对称参数和自旋相关塞贝克系数。当异质结温度从100K升高到300 K时，不对称参数从1.37降低到了1.30，但是自旋相关塞贝克系数的绝对值从0.10 eV-1增加到0.24 eV-1，更重要的是，在整个测量温度区间内不对称参数和自旋相关塞贝克系数服从一个简单的线性依赖关系。该结果表明，在电流(热流)平行于膜面的自旋阀结构中，电输运和热输运均起源于非磁性层中s价带到磁性层中d价带的散射机制，同时能够被Mott散射图像所描述。

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