自旋閥中的極化輸運(yùn)及相關(guān)自旋新材料、結(jié)構(gòu)研究.pdf

1、電子既是電荷的載體又是自旋的載體。電子作為電荷的載體，使二十世紀(jì)無疑成為了微電子學(xué)的天下。而隨著1988年巨磁電阻(GMR)效應(yīng)發(fā)現(xiàn)以來，通過操縱電子的另一量子屬性——自旋，使新一代的電子器件又多了一維控制手段。 電子自旋的研究涵蓋了金屬磁性多層膜、磁性氧化物、磁性半導(dǎo)體等眾多的體系，探尋這些體系中自旋輸運(yùn)的基本原理是研究的重點(diǎn)。目前，基于傳統(tǒng)自旋閥中極化輸運(yùn)及自旋電子學(xué)發(fā)展對(duì)新材料、新結(jié)構(gòu)的研究尚不成熟，還有眾多科學(xué)問題亟待解

2、決，諸如：如何在室溫下獲得更大的巨磁電阻變化率、提高器件的穩(wěn)定性及靈敏度、自旋閥中交換偏置場(chǎng)產(chǎn)生的物理根源、實(shí)現(xiàn)自旋同半導(dǎo)體完美結(jié)合的材料、結(jié)構(gòu)及方法等。因此，本論文研究工作基于國(guó)內(nèi)外自旋電子學(xué)研究的重點(diǎn)，首先圍繞最基本的自旋閥納米多層膜結(jié)構(gòu)，開展了自旋閥多層膜制備、設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、自旋閥交換偏置核心結(jié)構(gòu)物理機(jī)制探索等研究：其次，提出了三種異質(zhì)結(jié)新結(jié)構(gòu)，并以大自旋極化率Fe3O4磁性半金屬為核心材料，開展了自旋閥、新異質(zhì)結(jié)研究；最后，在

3、理論、材料研究基礎(chǔ)上，對(duì)自旋器件進(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究，獲得了一些有益的結(jié)果。主要內(nèi)容為： (1)理論方面，基于自旋電子器件的進(jìn)一步發(fā)展對(duì)新結(jié)構(gòu)、新材料發(fā)展需求，提出了磁性半導(dǎo)體/半導(dǎo)體、磁性半導(dǎo)體/磁性半導(dǎo)體、自旋濾波材料/自旋濾波材料的新自旋異質(zhì)結(jié)模型，理論分析發(fā)現(xiàn)利用磁性半導(dǎo)體/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)在負(fù)偏壓的作用下可實(shí)現(xiàn)自旋電子的極化輸運(yùn)，而利用磁性半導(dǎo)體/磁性半導(dǎo)體、自旋濾波材料/自旋濾波材料異質(zhì)結(jié)可實(shí)現(xiàn)趨于100％的磁電阻變化率

4、，另外通過計(jì)算對(duì)可實(shí)現(xiàn)的磁阻效應(yīng)及對(duì)材料的要求進(jìn)行了詳細(xì)的研究，為新材料的應(yīng)用奠定了一定的理論基礎(chǔ)。 (2)雖然基于自旋閥核心結(jié)構(gòu)的自旋電子器件研究已開展了多年，但如何進(jìn)一步提高自旋電子器件的磁電阻效應(yīng)、靈敏度、工作范圍、工作穩(wěn)定性等，探尋解決這些問題的物理機(jī)制仍是自旋電子學(xué)中的一個(gè)熱點(diǎn)研究課題。因而，首先基于Mott二流體模型發(fā)現(xiàn)自旋閥巨磁電阻受磁性材料、非磁性材料、自旋極化率、自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度、厚度、尺寸、電阻率等影響明顯，因而

5、可通過改善制備工藝條件及各層的材料、厚度改善自旋閥的性能，探尋提高巨磁電阻變化率、靈敏度等的有效途徑。其次，以理論分析為指導(dǎo)，實(shí)驗(yàn)上首先制備Ta/NiFe/Cu/NiFe/FeMn傳統(tǒng)自旋閥多層膜，研究了自由層、隔離層、釘扎層、反鐵磁層厚度對(duì)巨磁電阻效應(yīng)的影響，找到了最佳的制備工藝；其次，研究了緩沖層材料對(duì)自旋閥靈敏度、巨磁電阻效應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)由于緩沖層元素表面自由能的影響導(dǎo)致了自旋閥靈敏度的改變，指出選擇適當(dāng)表面自由能的緩沖層，可有效

6、改善自由層薄膜的性能，為提高器件的靈敏度提供有效的途徑；最后，基于室溫磁場(chǎng)下制備自旋閥交換偏置場(chǎng)較小、工作范圍較窄的問題，通過對(duì)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，提出了新型雙交換偏置場(chǎng)自旋閥模型，為增大器件工作穩(wěn)定性、人為調(diào)制器件工作范圍的提供了有效手段。 (3)交換偏置在自旋電子器件中具有核心地位，但到目前為止其產(chǎn)生的物理根源、影響其大小的因素仍是一未解決的難題。因而，本論文基于自旋閥的核心結(jié)構(gòu)——鐵磁/反鐵磁交換偏置效應(yīng)，研究了NiFe/Fe

7、Mn雙層膜釘扎層、被釘扎層厚度、材料微結(jié)構(gòu)、底釘扎、頂釘扎結(jié)構(gòu)等對(duì)交換偏置的影響，分析了交換偏置產(chǎn)生的物理根源；研究了制備磁場(chǎng)大小對(duì)釘扎場(chǎng)大小的影響，發(fā)現(xiàn)了利用大磁場(chǎng)可實(shí)現(xiàn)提高交換偏置的新方法，并利用6500e的大磁場(chǎng)在1-2nm的NiFe釘扎層中實(shí)現(xiàn)了接近600Oe的交換偏置場(chǎng)。 (4)基于自旋閥測(cè)試，研究了初始測(cè)試磁場(chǎng)平行與反平行于交換偏置場(chǎng)方向，測(cè)試電流的大小對(duì)交換偏置場(chǎng)的影響，并用大脈沖電流在初始測(cè)試磁場(chǎng)反平行于交換偏置

8、場(chǎng)方向的樣品中首次實(shí)現(xiàn)電流矩在電流沿膜面流動(dòng)自旋閥結(jié)構(gòu)中對(duì)釘扎場(chǎng)的翻轉(zhuǎn)，為鐵磁/反鐵磁雙層膜體系產(chǎn)生交換偏置的機(jī)理提供了新的研究途徑，并對(duì)自旋閥的應(yīng)用提出了新的挑戰(zhàn)。 (5)為探尋高自旋極化率的新材料，開展了半金屬磁性材料Fe3O4薄膜制備工藝的研究。通過改變?yōu)R射功率、退火溫度、緩沖層、磁場(chǎng)沉積等，在200W濺射功率、300℃的退火溫度、300Oe沉積磁場(chǎng)的最佳條件下獲得了高晶?？棙?gòu)、成分單一Fe3O4薄膜，并通過對(duì)氧氣氛的調(diào)節(jié)