【摘要】：隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展和信息技術的進步,傳統(tǒng)的微電子學器件已經(jīng)開始接近其性能極限,如何進一步實現(xiàn)器件的微型化并回避熱效應帶來的失效等問題,是科研界與工業(yè)界面臨的新一輪挑戰(zhàn)。2010年,科學家們發(fā)現(xiàn)通過磁性絕緣體釔鐵石榴石(Y3Fe5O12,簡稱YIG)中的磁振子也可以實現(xiàn)電信號的傳輸,這一現(xiàn)象引發(fā)了人們對絕緣體自旋電子學的研究熱潮�；诖耪褡拥男乱淮孕娮訉W器件,有望實現(xiàn)無熱損耗的電路,進而突破傳統(tǒng)電子器件的瓶頸。本論文研究對象是脈沖激光沉積法制備的納米厚度YIG薄膜,通過磁、電輸運測試等手段,系統(tǒng)研究了 YIG與不同材料(包括重金屬、反鐵磁金屬、反鐵磁絕緣體等)所組成的多層膜結構中的自旋相關輸運行為,主要研究內容和結論如下:(1)研究了 YIG/Pt非局域結構中的磁振子輸運行為。通過電流正、反向測試的方法,分離出電激發(fā)和熱激發(fā)的磁振子輸運信號,即磁振子拖拽磁電阻和自旋塞貝克效應引起的逆自旋霍爾電壓信號。實驗結果表明,隨著電流增大,磁振子拖拽磁電阻所對應的電壓信號對電流的依賴關系偏離線性行為。我們認為,當電流密度接近YIG的阻尼補償點時,YIG中的磁矩將遠離平衡態(tài),此時多種磁振子模式處于激發(fā)態(tài),不同磁振子模式間的非線性散射使磁矩系統(tǒng)弛豫至熱平衡態(tài),這一過程中,阻尼小的長波磁振子更容易激發(fā),于是主導磁振子頻率從高頻向低頻轉變,導致了電激發(fā)磁振子輸運電壓對電流的依賴偏離線性曲線。這一推論通過外場對非局域信號的抑制增強效果得到了驗證。(2)對比研究了 YIG/Pt結構中的局域和非局域自旋塞貝克效應。通過在不同電流、外場、溫度下對這兩種效應的定性與定量比較,我們發(fā)現(xiàn),雖然二者都是由電流產(chǎn)生的焦耳熱引起,但局域自旋塞貝克效應由界面溫度梯度產(chǎn)生,并且受磁振子-聲子作用的影響;而非局域自旋塞貝克效應由磁性材料層中的磁振子擴散輸運引起,主要由材料的體輸運性質決定,對界面依賴不強,并且兩種自旋塞貝克效應中主導的磁振子頻率有一定的區(qū)別。(3)研究了 YIG/IrMn非局域結構中的磁振子拖拽磁電阻與自旋塞貝克效應。同時用反鐵磁金屬作為磁振子的注入端與探測端,系統(tǒng)研究了非局域信號對電流、磁場、溝道距離等因素的依賴。利用IrMn探測端獲得了 YIG中磁振子擴散長度,其結果與使用Pt電極的情形類似。同時,我們在IrMn中獲得了更大的電壓信號,證實了反鐵磁金屬在非局域結構中做電極的可行性。此外,我們還發(fā)現(xiàn)一維擴散模型不適用于短距離的自旋塞貝克效應。(4)研究了反鐵磁絕緣體Cr2O3對YIG/Pt結構中自旋輸運的影響。我們在YIG上制備出了非晶態(tài)的Cr2O3,通過電輸運測試研究了 YIG/Cr2O3/Pt結構中的自旋霍爾磁電阻、磁振子拖拽磁電阻和自旋塞貝克效應的變化規(guī)律。結果表明,該結構中自旋霍爾磁電阻效應主要來源于Cr2O3/Pt界面處自旋的吸收與反射,與YIG中的磁矩無關;磁振子拖拽磁電阻隨Cr2O3的插入迅速減小為零;自旋塞貝克效應主要由YIG中受熱激發(fā)的磁振子產(chǎn)生,可通過Cr2O3層輸運至探測端。我們的研究表明,即使沒有長程有序磁矩,短程的磁極耦合也可以傳輸磁振子,并測得Cr2O3中磁振子擴散長度為1.6 nm。對比這三種效應的變化,可以發(fā)現(xiàn)從Pt界面經(jīng)Cr2O3不能傳輸自旋信息到YIG,但從YIG界面經(jīng)Cr2O3可以傳輸自旋信息到Pt,可見電激發(fā)磁振子與熱激發(fā)磁振子在界面處的自旋轉換效率并不相同。
【圖文】：

的量子看作聲子，研究者提出了另一種準粒子－磁振子，來描述自旋波激發(fā)的逡逑量子［３２］。磁性絕緣體中的自旋流可以用自旋波或磁振子來描述。磁振子同聲逡逑子一樣，具有能量和波矢，如圖２－２所示，紅色箭頭代表進動的單個自旋，逡逑藍色箭頭表示磁振子的波長。值得注意的是，與電導體中的電子不同，自旋逡逑導體中的磁振子是不守恒的，磁振子系統(tǒng)中的角動量可以傳輸至聲子系統(tǒng)中。逡逑利用平均磁振子壽命Ｔ：ｍ，我們可以定義一個磁振子擴散運動的特征長度逡逑來描述磁振子擴散區(qū)運動，即磁振子攜帶信息丟失的長度；逡逑類似于電子的平均自由程，也可以定義一個磁振子彈道運動的特征長度逡逑入＝邋ＶｍＴｍ來描述磁振子彈道區(qū)運動，即磁振子發(fā)生碰撞前移動的距離，逡逑其中和分別為磁振子的擴散常數(shù)和群速度［３］。逡逑立體圖逡逑頂視圖逡逑ＧＱＱ００ＯＴ３逡逑圖２－２邋—維點陣中磁振子示意圖。逡逑自布洛赫提出這一概念以來，不論是就基礎研宄還是應用領域而言，都逡逑－

｛ａ）邋＾ｒ邋ｔＡ逡逑，警，？，丨廣邐＾邋丨，．皆逡逑＾４＾％＾逡逑圖２－１邋（ａ）純電荷流（電流）；（ｂ）自旋極化電流；（ｃ）純自旋流．逡逑鐵磁或反鐵磁絕緣體中沒有電荷的流動，但是其局域電子的角動量可以逡逑通過偶極－偶極相互作用或者交換相互作用進行傳輸，角動量的傳輸即可以看逡逑成自旋流這種情況下的純自旋流我們稱之為自旋波。自旋波的概念是由逡逑布洛赫１９３０年提出的【３１］，可以看做是有序磁性材料中相互作用的自旋體系逡逑由于各種激發(fā)作用引起的集體運動。如同晶格點陣中將晶格振動這一彈性波逡逑的量子看作聲子，研究者提出了另一種準粒子－磁振子，來描述自旋波激發(fā)的逡逑量子［３２］。磁性絕緣體中的自旋流可以用自旋波或磁振子來描述。磁振子同聲逡逑子一樣，具有能量和波矢，，如圖２－２所示，紅色箭頭代表進動的單個自旋，逡逑藍色箭頭表示磁振子的波長。值得注意的是，與電導體中的電子不同，自旋逡逑導體中的磁振子是不守恒的，磁振子系統(tǒng)中的角動量可以傳輸至聲子系統(tǒng)中。逡逑利用平均磁振子壽命Ｔ：ｍ
【學位授予單位】：北京科技大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TB383.2;TN403

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本文編號：2612212