氧化物中自旋極化材料與器件的研究.pdf

1、在信息大爆炸的當(dāng)今，信息技術(shù)正以摩爾定律快速向前發(fā)展:集成電路上可容納的晶體管數(shù)目約每隔18個(gè)月便會(huì)增加一倍，而且性能提高一倍。然而隨著器件尺寸的減小和集成化的提高，電子的量子效應(yīng)使半導(dǎo)體器件越來(lái)越接近其物理極限。為了突破摩爾定律瓶頸，自旋電子學(xué)應(yīng)運(yùn)而起:同時(shí)調(diào)控電子的電荷和自旋兩種屬性，引入全新的信息存儲(chǔ)和處理模式，使得自旋電子器件相對(duì)于傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件具有運(yùn)算速度更快、器件尺寸更小、能耗更低、信息存儲(chǔ)非易失等優(yōu)異性能，這引發(fā)了科研界和

2、工業(yè)界的廣泛關(guān)注與研究，成為當(dāng)前凝聚態(tài)物理、材料科學(xué)和信息科學(xué)等諸多領(lǐng)域共同關(guān)注的研究熱點(diǎn)。自旋電子器件的設(shè)計(jì)和制備需要實(shí)現(xiàn)自旋極化電流的產(chǎn)生、注入、傳輸、檢測(cè)和調(diào)控，在材料中產(chǎn)生自旋極化電流是實(shí)現(xiàn)自旋電子器件的首要條件，因而高自旋極化率材料是這一切的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，近年來(lái)物理、信息、材料領(lǐng)域大量的工作集中于自旋極化材料的探索，先后制備出了各種磁性半導(dǎo)體、半金屬、拓?fù)浣^緣體等新材料。自旋極化材料制備和自旋電子器件設(shè)計(jì)是自旋電子學(xué)的兩個(gè)主要部

3、分。本文基于國(guó)內(nèi)外對(duì)自旋電子材料和器件的研究基礎(chǔ)之上，設(shè)計(jì)和制備出新型的自旋極化材料與器件，并對(duì)材料和器件的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了檢測(cè)和分析。
　　磁性半導(dǎo)體是一種具有重要前景的自旋極化材料，能夠克服電導(dǎo)不匹配的限制實(shí)現(xiàn)自旋注入，是新型自旋器件的支撐材料，具有豐富的物理內(nèi)涵和應(yīng)用前景，成為自旋電子學(xué)的研究熱點(diǎn)。在各種磁性半導(dǎo)體種，寬禁帶磁性半導(dǎo)體由于具有室溫鐵磁性吸引了研究者的廣泛關(guān)注，基于ZnO、In2O3、TiO2等氧化物半導(dǎo)體的過(guò)

4、渡金屬摻雜體系中都觀察到了室溫鐵磁性。但是絕大部分工作集中于其結(jié)構(gòu)、磁性和磁性物理起源等方面，對(duì)于自旋極化這一最重要性質(zhì)卻少有研究報(bào)道。我們通過(guò)磁性隧道結(jié)、反?；魻栃?yīng)以及磁電阻等多個(gè)方面研究分析，證明了我們制備的氧化物磁性半導(dǎo)體具有自旋極化特性。
　　為了提升信息存儲(chǔ)和處理能力，人們?cè)诓粩嗵剿鏖_(kāi)發(fā)基于自旋極化材料的各種新型自旋電子器件。自旋場(chǎng)效應(yīng)管、自旋發(fā)光二極管、MRAM、Racetrack存儲(chǔ)器、多鐵隧道結(jié)等新型器件紛紛涌現(xiàn)

5、，這些新型器件采用全新的信息存儲(chǔ)和處理模式，具有巨大的應(yīng)用前景。我們?cè)O(shè)計(jì)構(gòu)造了具有隧穿磁電阻和電致阻變的多態(tài)存儲(chǔ)器件，可以實(shí)現(xiàn)高密度、低功耗、非易失的信息存儲(chǔ)。我們制備的具有自旋相關(guān)偏壓的磁性隧道結(jié)，可以實(shí)現(xiàn)巨大的磁阻，是一種靈敏的交流磁性傳感器。
　　具體工作介紹主要有以下四個(gè)方面:
　　(1)我們制備了濃磁半導(dǎo)體Zn1-xCoxO，并進(jìn)一步證明和測(cè)量了其自旋極化。我們使用高真空磁控濺射儀采用交替濺射方法，制備出高鈷含量的

6、磁性半導(dǎo)體Zn1-xCoxO，并進(jìn)一步利用金屬掩模構(gòu)造了100um×100um的隧道結(jié)器件Co/ZnO/Zn1-xCoxO。在該隧道結(jié)中我們觀察到了室溫磁電阻，其隨著溫度的降低逐漸增強(qiáng)，在2K溫度下我們觀察到19.7％的隧穿磁電阻。通過(guò)Julliere理論模型，可以推得其自旋極化率大約為25％。結(jié)電阻隨溫度變化曲線顯示非直接彈性躍遷的存在，這表明勢(shì)壘中有缺陷態(tài)，由于缺陷態(tài)會(huì)減弱磁電阻，Zn1-xCoxO真實(shí)極化率應(yīng)高于理論推算值。另外我

7、們還觀察到了Zn1-xCoxO室溫下的反?；魻栃?yīng)，其曲線與磁性曲線完全重合。這些結(jié)果證明我們制備出了自旋極化的Zn1-xCoxO磁性半導(dǎo)體。
　　(2)我們制備了納米復(fù)材料(In0.95Fe0.05)2O3，其在磁、電、光等方面表現(xiàn)出優(yōu)異性能。我們采用脈沖激光沉積的方法，在YSZ(111)襯底上外延生長(zhǎng)出自組裝Fe3O4納米柱的In2O3薄膜，通過(guò)控制生長(zhǎng)溫度和生長(zhǎng)條件，F(xiàn)e3O4納米柱尺寸大約幾十納米，XRD掃描表明In2O3

8、和Fe3O4都沿{111}晶向外延生長(zhǎng)。由于柱狀Fe3O4的存在，該納米復(fù)合材料具有較強(qiáng)的磁各向異性，易軸方向?yàn)榇怪蹦っ娣较?，其飽和磁化?qiáng)度為8.3emu/cm3。室溫下我們觀察到與磁性曲線完全吻合的反?；魻栃?yīng)，這表明材料載流子的自旋極化。同時(shí)該納米復(fù)合材料具有磁光效應(yīng)和透明導(dǎo)電特性，是一種優(yōu)異的多功能復(fù)合材料。
　　(3)我們提出并成功通過(guò)復(fù)合勢(shì)壘制備了集合隧穿磁電阻和電致阻變的隧道結(jié)。我們使用磁控濺射儀，利用金屬掩模技術(shù)，設(shè)

9、計(jì)和構(gòu)造了同時(shí)具有隧穿磁阻效應(yīng)和電致阻變效應(yīng)的多態(tài)非揮發(fā)存儲(chǔ)器件Co/CoO-ZnO/Co。我們通過(guò)在Co薄膜上濺射2nmZnO生成復(fù)合勢(shì)壘層CoO-ZnO。在ZnO的沉積過(guò)程中，由于氧原子的擴(kuò)散，界面處的金屬鈷發(fā)生氧化;磁性和XPS測(cè)量結(jié)果顯示CoO厚度大約為2nm。該復(fù)合勢(shì)壘成功得將巨大電致阻變和磁阻有效的結(jié)合在一起。該器件具有良好的阻變開(kāi)關(guān)特性，室溫下高低阻態(tài)之間大小相差90倍，高阻態(tài)遵循隧穿導(dǎo)電機(jī)制，低阻態(tài)表現(xiàn)為金屬導(dǎo)電特性。同

10、時(shí)該器件在室溫下具有8％的隧穿磁阻效應(yīng)。基于試驗(yàn)結(jié)果和理論分析，我們通過(guò)氧空位在氧化鋅與氧化鈷間的往返運(yùn)動(dòng)解釋器件阻變?cè)怼?br>　　(4)我們通過(guò)不對(duì)稱性勢(shì)壘設(shè)計(jì)了具有磁場(chǎng)相關(guān)整流效應(yīng)的磁性隧道結(jié)。利用不對(duì)稱性勢(shì)壘CoO-ZnO制備的磁性隧道結(jié)，在交流信號(hào)下通過(guò)整流效應(yīng)產(chǎn)生自旋相關(guān)的mV量級(jí)的直流電壓，并從而產(chǎn)生巨大的磁電阻效應(yīng)，而且磁電阻隨著電流變化會(huì)產(chǎn)生變號(hào)現(xiàn)象。在1.5nA下樣品的磁電阻為-95％，，在-1nA電流下磁電阻為2