【摘要】：自旋電子學(xué)的目標(biāo)是在半導(dǎo)體或金屬體系中通過操控電子的自旋屬性來實(shí)現(xiàn)信息的記錄、操控、運(yùn)輸和存儲等。做為向半導(dǎo)體和金屬寫入和輸運(yùn)自旋信息的核心步驟,自旋注入效應(yīng)是研發(fā)半導(dǎo)體和金屬基自旋電子器件的關(guān)鍵技術(shù)之一。本論文利用磁控濺射技術(shù)制備了不同結(jié)構(gòu)的磁性金屬薄膜或磁性金屬薄膜/半導(dǎo)體復(fù)合材料,利用紫外曝光等微加工手段制備了三端口自旋注入結(jié)構(gòu),并對其磁電運(yùn)輸性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。具體結(jié)果如下:首先,我們在高遷移率材料InAs襯底上制備了Ru(30nm)/Ta(100nm)/CoFeB(10nm)/InAs薄膜,利用四端法測量非局域幾何磁電阻。結(jié)果顯示,引起非局域幾何磁電阻(MR)的物理起源是磁場導(dǎo)致的洛倫茲力。在高磁場的情況下,Hall角度接近90度,電流密度幾乎與InAs/CoFeB界面平行,此時電流幾乎被限制在InAs中輸運(yùn)。通過制備 Ru(30nm)/Ta(10nm)/CoFeB(10nm)/InAs 這一簡單體系來研究體系中的自旋在界面處發(fā)生轉(zhuǎn)移或者散射的具體形式以及轉(zhuǎn)移的自旋對體系電荷輸運(yùn)性質(zhì)的影響。可使Ru(30nm)/Ta(10nm)/CoFeB(10nm)/InAs 薄膜中產(chǎn)生 MR 和翻轉(zhuǎn)磁化狀態(tài)。又由于半導(dǎo)體InAs的電阻率甚高,導(dǎo)致Ru(30nm)/Ta(10nm)/CoFeB(10nm)/InAs 結(jié)構(gòu)中 MR 效應(yīng)將特別顯著。該器件的MR與磁場依賴關(guān)系的斜率在線性MR區(qū)域,可從局域MR的12.6 T-1增加到非局域MR的45.3 T-1。而且?guī)缀蜯R的測量值可達(dá)104%量級。這些特性對該器件應(yīng)用于高場傳感器領(lǐng)域非常具有吸引力,該工作也為高磁場探測器的設(shè)計(jì)提了新思路。其次,我們利用磁控濺射技術(shù)在Si/SiO2(500nm)上生長了Pt(5nm)/Co(0.8nm)/AlOx(2nm)超順磁薄膜。通過控制柵極電壓的極性和大小,可方便地控制Co氧化還原反應(yīng)的進(jìn)度,進(jìn)而控制超順磁Co顆粒的大小以及薄膜的超順磁特性。通過XPS發(fā)現(xiàn)陽極上Co的氧化還原反應(yīng)的可調(diào)性。這些發(fā)現(xiàn)對設(shè)計(jì)基于超順磁顆粒薄膜的高密度,低功耗和非易失新型磁存儲器件提供了全新思路。同時,我們已成功地通過肖特基結(jié)將自旋注入到寬帶隙半導(dǎo)體SiC中。測得SiC自旋弛豫壽命長達(dá)300ps。通過輸運(yùn)機(jī)理分析表明,載流子在肖特基結(jié)的隧穿過程為多步隧穿。在多步隧穿階段,可利用缺陷態(tài)捕獲自旋極化載流子,非平衡自旋將會在這些缺陷態(tài)上弛豫。體區(qū)自旋弛豫時間較缺陷態(tài)自旋弛豫時間更短,而缺陷態(tài)自旋馳豫壽命可達(dá)lns以上。這表明為了準(zhǔn)確測量體區(qū)自旋弛豫壽命,應(yīng)盡量避免界面態(tài)參與的輸運(yùn)過程。在直接隧穿過程中測得的自旋弛豫壽命更能反映半導(dǎo)體材料的本征屬性。最后,為了研究半導(dǎo)體器件的光電性質(zhì),我們在納米圖型化和超寬頻磁電特性測量系統(tǒng)中設(shè)計(jì)和集成了光場發(fā)生與響應(yīng)裝置。該裝置可以向掃描電子顯微鏡的腔體中引入各種波長的光。對于沒有磁場、電場和探針系統(tǒng)的基本電子束曝光系統(tǒng),光場引入非常簡單。但是當(dāng)上述三個子系統(tǒng),特別是磁場發(fā)生裝置和探針系統(tǒng),均被集成到腔體中時,要想再通過一支新的探針引入光場就變得非常困難。這里還需指出,盡管光纖很細(xì),但光纖頭卻相對粗壯,因此引導(dǎo)光纖的探針必然也會相對粗壯,這樣它才能具備必要的機(jī)械強(qiáng)度來支撐光纖頭。在該系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)中,為了節(jié)約空間,我們巧妙地將光纖頭固定在磁場發(fā)生裝置的磁極上。這種設(shè)計(jì)一則能保證固定光纖頭所需要的機(jī)械強(qiáng)度;再則剛好可將光束引入到樣品臺正中間,磁場發(fā)生裝置的磁極在工作狀態(tài)時恰好被安放在樣品臺中心位置。三則還能極大地節(jié)省寶貴的腔體空間,可謂一舉三得。上述研究工作對半導(dǎo)體自旋電子器件、新型磁傳感器以及磁存儲器件的的研發(fā)開拓了新思路,提供了物理圖像層面的分析和證明,為后續(xù)開發(fā)奠定了物理基礎(chǔ)。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：內(nèi)蒙古大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TN304

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