磁性氧化物-半導(dǎo)體納米復(fù)合材料的特性研究.pdf

1、隨著人類邁入大規(guī)模信息和多媒體時(shí)代，飛速發(fā)展的信息科技要求電子器件的存儲(chǔ)密度最高，速度更快，功耗更低，尺寸更小及重量更輕。然而由于量子效應(yīng)以及摩爾定律等限制，傳統(tǒng)的電子器件微型化過(guò)程遇到了難以逾越的困境。而將電子的自旋屬性與信息科技的關(guān)鍵材料—半導(dǎo)體材料結(jié)合起來(lái)，被認(rèn)為是解決當(dāng)前困境的一種方法，因而成為了當(dāng)前研究的熱點(diǎn)方向之一
　　Fe3O4是一種亞鐵磁性的半金屬材料，其費(fèi)米面處理論上具有100％的自旋極化率，居里溫度高于室溫(8

2、58 K)并且與半導(dǎo)體電導(dǎo)率匹配較好，因而很適合作為半導(dǎo)體器件的自旋注入源，也逐漸成為自旋電子學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。本論文主要以Fe3O4/半導(dǎo)體復(fù)合結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，研究了不同形態(tài)下的的Fe3O4(顆粒，薄膜)與各種半導(dǎo)體材料（Ⅳ Si，Ⅲ-Ⅴ GaAs和Ⅱ-Ⅵ ZnS）復(fù)合結(jié)構(gòu)的磁性、表界面影響以及磁輸運(yùn)性質(zhì)。主要結(jié)論如下:
　　1.采用脈沖激光沉積方法在Si基底上成功制備出高質(zhì)量(111)取向生長(zhǎng)Fe3O4薄膜，并且對(duì)其結(jié)構(gòu)，形貌

3、，基本磁性及磁輸運(yùn)性能進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。我們發(fā)現(xiàn)生長(zhǎng)工藝（例如沉積溫度，退火溫度等）的不同對(duì)薄膜的結(jié)構(gòu)以及磁性能影響很大。高溫退火后的Fe3O4薄膜的磁電阻效應(yīng)明顯增強(qiáng)，比原位生長(zhǎng)樣品增加了260％，自旋極化率增加了60％。磁阻增強(qiáng)效應(yīng)可能是來(lái)源于晶界處增強(qiáng)的自旋相關(guān)散射和晶粒內(nèi)部總磁矩的增加。
　　2.首次在高取向的Fe3O4薄膜上發(fā)現(xiàn)了反常正磁阻效應(yīng)，該效應(yīng)無(wú)法用各項(xiàng)異性磁電阻效應(yīng)進(jìn)行解釋。為了研究該效應(yīng)產(chǎn)生機(jī)制，我們基于透射

4、電鏡，原子力顯微鏡，XMCD等技術(shù)表征結(jié)果，并且建立了一種以自旋濾波效應(yīng)和晶界遂穿磁阻效應(yīng)為基礎(chǔ)的電輸運(yùn)模型對(duì)其進(jìn)行了解釋。本項(xiàng)研究將加深人們對(duì)于Fe3O4薄膜輸運(yùn)性能的理解。
　　3.通過(guò)鐵磁共振等手段研究了(111)取向生長(zhǎng)的Fe3O4/Si薄膜中的磁各向異性分布，意外發(fā)現(xiàn)對(duì)于(111)取向生長(zhǎng)的Fe3O4薄膜，其共振場(chǎng)與磁場(chǎng)取向角度的依賴關(guān)系無(wú)法用傳統(tǒng)的多晶和單晶自由能密度模型進(jìn)行理論擬合。根據(jù)坐標(biāo)變換的數(shù)學(xué)手段，我們提出了

5、新的磁各向異性能的表達(dá)式，定義了新的磁各向異性參量并命名為磁織構(gòu)各向異性。由此成功的擬合了(111)取向生長(zhǎng)的Fe3O4薄膜鐵磁共振場(chǎng)隨角度依賴關(guān)系，并且定量測(cè)定了各種磁各向異性的貢獻(xiàn)。需要指出的是，由于我們給出的磁織構(gòu)各向異性能表達(dá)式是基于單晶薄膜立方磁晶各向異性能的表達(dá)式，通過(guò)嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)包括積分中值定理和坐標(biāo)變換得到的，因此給出的磁織構(gòu)各向異性公式可以適用于所有的立方結(jié)構(gòu)磁性薄膜包括Fe，Ni等。相關(guān)研究有助于加強(qiáng)人們對(duì)于薄膜織

6、構(gòu)結(jié)構(gòu)對(duì)磁各向異性影響的認(rèn)識(shí)。
　　4.我們系統(tǒng)的研究了Fe3O4/GaAs單晶超薄膜的自旋弛豫性能，推導(dǎo)了針對(duì)單晶薄膜的鐵磁共振線寬各機(jī)制的理論公式，尤其是給出了單晶薄膜面內(nèi)雙磁子散射對(duì)鐵磁共振線寬貢獻(xiàn)的表達(dá)式，進(jìn)而成功分離出了本征線寬進(jìn)而得到了單晶薄膜阻尼因子的厚度依賴性關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)本征阻尼因子隨著薄膜厚度的降低而顯著降低，意味著L-S耦合的增強(qiáng)，這種增強(qiáng)的L-S耦合可能主要來(lái)源于對(duì)稱性破缺破壞了晶場(chǎng)對(duì)軌道磁矩的淬滅，引起了

7、軌道磁矩的增加。
　　5.我們對(duì)Fe3O4/GaAs單晶超薄膜的界面進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)Au覆蓋層的引入有效的降低了Fe3O4單晶薄膜的磁矩、磁各向異性和本征阻尼因子，考慮到Au與Fe3O4之間相近的晶格錯(cuò)配率，我們將其歸因于Au覆蓋層界面對(duì)Fe3O4晶格弛豫的幫助。
　　6.通過(guò)化學(xué)方法成功制備了球殼結(jié)構(gòu)的Fe3O4/ZnS多功能納米復(fù)合材料。由于磁核Fe3O4和半導(dǎo)體ZnS之間較大的晶格錯(cuò)配率，在Fe3O4表面直接沉積Z

8、nS納米晶形成穩(wěn)定的球殼結(jié)構(gòu)較為困難，往往需要在二者之間添加非晶的緩沖層來(lái)實(shí)現(xiàn)ZnS層的包覆。我們通過(guò)晶種法成功在Fe3O4表層直接包覆了結(jié)晶良好的ZnS納米晶，并且實(shí)現(xiàn)了包覆厚度的可控。通過(guò)各種結(jié)構(gòu)形貌及物性表征手段對(duì)其磁性和光致發(fā)光性能進(jìn)行了研究，證明了這種復(fù)合結(jié)構(gòu)具有多功能性。
　　7.我們還以Fe3O4/ZnS為載體首次對(duì)Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體ZnS的自旋輸運(yùn)性能進(jìn)行了研究，并且發(fā)現(xiàn)ZnS層的引入可以有效的增強(qiáng)Fe3O4顆粒的磁電