低阻尼Co2MnSi薄膜的生長、結構、磁性和酞菁酮中多極阻變、記憶效應的研究.pdf

1、半導體技術的不斷進步、信息工業(yè)的持續(xù)發(fā)展和人類對計算機性能的無止境需求推動著隨機存儲器(random access memory，RAM)技術不斷向前發(fā)展。RAM和CPU直接交換數(shù)據(jù)，所以RAM的性能直接影響到CPU的速度，進而影響整個計算機的表現(xiàn)。目前計算機常用的RAM是基于電容技術，由于電容有漏電流，所以RAM需要定時刷新以防止數(shù)據(jù)丟失。這種容易丟失數(shù)據(jù)的易失性隨機存儲器逐漸不能滿足人類的需求。2010年，國際半導體技術藍圖新興器件

2、(EmergingResearch Devices)和新興材料(Emerging Research Materials)工作組指出基于自旋轉移轉矩效應(spin transfer torque，STT)的自旋轉移轉矩磁隨機存儲器(STTMRAM)和基于電致阻變效應的阻變隨機存儲器(resistance random accessmemory，RRAM)是最有可能成為超越16nm技術的下一代非易失性隨機存儲器(non-volatile r

3、andom access memory,NVRAM)。
　　在由固定磁性層、中間層和自由磁性層組成的三明治結構中，當由固定磁性層流向自由磁性層的電流密度超過臨界值后，自由磁性層的磁矩朝著固定磁性層磁矩的方向反轉;當電流反向時，被固定磁性層反射回來的和固定磁性層磁化方向相反的電子使自由磁性層的磁矩向固定磁性層磁矩相反方向反轉。這種現(xiàn)象稱為STT效應。這種三明治結構中兩個磁性層磁矩的不同組態(tài)對應著器件的不同電阻態(tài):當兩個磁性層磁矩方向

4、平行時對應的是低電阻狀態(tài);相反時對應的是高電阻狀態(tài)。這樣通過STT效應就可以實現(xiàn)邏輯態(tài)的反轉，而磁性層的磁化方向斷電后并不改變，這樣就實現(xiàn)了NVRAM。
　　STT的臨界電流密度正比于自由磁性層的Gilbert阻尼因子，所以降低自由磁性層的Gilbert阻尼因子對降低臨界電流密度、提高STTMRAM存儲密度、減小器件損耗意義重大。Co基Heusler合金居里溫度很高、具有半金屬性質而且在高隧穿磁電阻(tunelling magne

5、toresistance，TMR)磁性隧道結(magnetic tunellingjunction，MTJ)中應用廣泛。除此之外它還是一種Gilbert阻尼因子比較低的磁性材料。我們用磁控濺射在加熱MgO襯底上生長了Co2MnSi Heusler合金薄膜，通過控制襯底溫度和后續(xù)退火溫度提高了Co2MnSi薄膜的晶體質量。鐵磁共振測試結果擬合表明，300℃生長后550℃退火的樣品Gilbert阻尼因子低至0.00015，是目前報道的金屬材

6、料中的最小值。
　　不言而喻，精確測量材料的Gilbert阻尼因子不論對應用物理和基礎物理都具有很重要的意義。鐵磁共振是測量材料Gilbert阻尼因子的常用方法，通過分析共振線寬隨測試頻率的變化關系，可以得出其數(shù)值。鐵磁共振中微波場激發(fā)的一致進動自旋波對應的波矢k=0。一方面，這些k=0的自旋波可能通過磁振子-電子相互作用將能量傳遞給晶格，這個過程稱為Gilbert阻尼;另一方面k=0的自旋波也可能被磁各向異性、雜質、表面態(tài)、第二

7、相等等因素散射成k≠0的自旋波，這個過程稱為雙磁振子散射。由此可見，鐵磁共振的共振線寬至少包含Gilbert阻尼項和雙磁振子散射項。然而有很多文獻在計算Gilbert阻尼的過程中都忽略了雙磁振子散射的貢獻，這只有在寬頻域測量鐵磁共振線寬是測試頻率的線性函數(shù)的情況下才是可行的。對于鐵磁共振線寬隨測試頻率變化的非單調行為目前研究報道很少，特別在寬頻域范圍內尚未有報道。我們在5～40GHz的寬頻域范圍內，在300℃和400℃生長550℃退火的

8、Co2MnSi薄膜中觀測到這種非單調行為?；赟angita等人的工作，我們發(fā)展了雙磁振子散射對共振線寬貢獻的模型，采用數(shù)值計算雙磁振子散射簡并積分和線性回歸的方法，擬合了共振線寬隨測試頻率變化的非單調、單調非線性和線性行為，并且在計算和擬合過程中沒有采用固定參數(shù)來減小計算難度。擬合結果表明，雙磁振子散射對共振線寬的非線性行為有決定性的貢獻，但是對于線性行為貢獻很小，在寬頻域測試范圍內是可以忽略的。
　　由于有機材料具有儲量豐富、

9、成本低廉、可以印刷或者旋涂制備、可彎曲等等很多優(yōu)點，近些年來在OLED、有機薄膜晶體管、有機太陽能電池領域中得到廣泛研究。由于器件結構多樣、存儲密度大、開關比高等等性質，小分子、聚合物、復合材料等有機物在RRAM中的潛在應用被普遍重視研究。但是相對于無機材料而言，有機材料不具有長程有序性，也不具有較強的相互作用，分子與分子之間靠比較弱的范德瓦爾斯力結合，導致載流子的局域性較強。這些載流子在被熱激發(fā)“跳離”局域態(tài)之前不會對電導有貢獻，導致

10、有機材料中載流子的遷移率較低。而且有機材料中的載流子傳輸機制不甚明了，仍然需要廣泛、深入的研究。目前提出的導電機制有歐姆導電、肖特基發(fā)射、熱致發(fā)射、空間電荷限制電流、隧穿、離子導電、跳躍導電、雜質導電等等。基于這些導電機制，對有機材料電致阻變機理的解釋多種多樣。由于有機材料電致阻變器件結構多樣，并且阻變機制也可能依賴于使用的具體材料，所以一個統(tǒng)一的阻變模型可能并不存在，甚至在同一個器件中也會有不同的機制同時起作用?；谟袡C材料的電致阻變

11、機理仍需要進一步研究。
　　酞菁銅(copper phthalocyanine，CuPc)是一種典型的共軛p型小分子有機半導體，在OLED、有機薄膜晶體管、有機太陽能電池中應用廣泛。但是基于CuPc的電致阻變器件研究很少。我們應用磁控濺射和真空熱蒸發(fā)的方法制備了不同電極材料的CuPc電致阻變器件，從中首次發(fā)現(xiàn)了多級電致阻變現(xiàn)象。當上、下電極都是Co時，是單極阻變，低阻態(tài)的穩(wěn)定性比較差;但是使用Au做下電極、Co做上電極時是雙極阻變

12、，低阻態(tài)的穩(wěn)定性大幅提高，在10000s的測試時間內沒有觀測到低阻態(tài)的退變現(xiàn)象。低阻態(tài)和高阻態(tài)的電阻隨溫度變化的測試結果表明，阻變前后器件的導電機制沒有發(fā)生性質上的變化，它們的電阻都隨著溫度的降低而增大，是典型的半導體導電行為。在較低溫度下和γ=1/3的Mott變程躍遷模型符合較好，較高溫度下有明顯偏離。擬合結果給出低阻態(tài)和高阻態(tài)的費米能級處態(tài)密度相差三個量級，從而導致了低阻態(tài)和高阻態(tài)之間電阻的巨大差異。低阻態(tài)電阻隨溫度和結面積的變化規(guī)