【摘要】：電子擁有兩個內(nèi)稟屬性:電荷自由度和自旋自由度。傳統(tǒng)的電子器件是通過操控電子電荷自由度來實現(xiàn)信息的處理。然而,因為量子效應(yīng)的存在,“摩爾定律”的失效使得基于電荷自由度的電子器件在微型化、集成化等方面出現(xiàn)了大的瓶頸。因此,人們嘗試?yán)秒娮拥淖孕杂啥葋碇苽湫滦推骷�。隨著對電子自旋自由度的深入研究,“自旋電子學(xué)”應(yīng)運而生了。自旋電子學(xué)的研究目標(biāo)是探究電子自旋極化輸運性能以及開發(fā)基于自旋電子學(xué)的功能器件。相比于傳統(tǒng)的電子器件,基于自旋電子學(xué)的器件擁有眾多優(yōu)勢,包括信息處理速度快、功耗低、穩(wěn)定性好、集成度高。特別的,在磁性半導(dǎo)體材料中,載流子是擁有自旋極化特性的,因此可以同時利用電子的兩個自由度,這將可能發(fā)展出微電子器件的新功能。進而發(fā)展出另一種信息處理技術(shù)模式,即信息的傳輸、處理和存儲可以通過電荷自由度和自旋自由度兩個參量來控制。另一方面,自石墨烯被證實為穩(wěn)定的二維材料以來,眾多的二維材料因在電學(xué)、力學(xué)、光學(xué)以及能源等方面表現(xiàn)出獨特的性能而被廣大科研工作者所關(guān)注。近幾年來關(guān)于二維材料本征磁性的發(fā)現(xiàn)為二維材料的發(fā)展開辟了另一個新道路,使得二維材料有可能被應(yīng)用到自旋電子學(xué)器件中。但關(guān)于二維材料本征磁性的機理還有待研究,基于磁性二維材料的器件設(shè)計與制備同樣需要深入探索。本論文首先合成了二維材料CrBr3,證實了該材料本征磁性的存在。在此基礎(chǔ)上,設(shè)計和發(fā)展了基于磁性二維材料的自旋器件,并實現(xiàn)了器件性能的可控調(diào)節(jié)。本文的具體內(nèi)容總結(jié)如下:(1)通過自主搭建的管式爐成功合成了 CrBr3單晶。對單晶CrBr3樣品進行了一系列的物性表征。XRD確認(rèn)了合成的晶體為(00l)取向的單晶。XPS、TEM和拉曼測試均證實了合成的CrBr3為單晶且沒有雜質(zhì)。通過熒光光譜的測試確定了單晶CrBr3的帶隙為1.35eV。通過磁性測試,確定了CrBr3的鐵磁性,其居里溫度為32 K,矯頑場約為50 Oe,飽和場約為8kOe。通過磁各向異性的測試表明CrBr3呈現(xiàn)出明顯的磁各向異性,易極化軸為c軸。(2)采用機械剝離和異質(zhì)結(jié)堆疊方法,成功制備了 G/CrBr3異質(zhì)結(jié)構(gòu)器件。通過對石墨烯的電輸運性能進行測試,我們證實了在石墨烯和鐵磁CrBr3之間存在明顯的磁近鄰效應(yīng)。石墨烯中反�；魻柗至康某霈F(xiàn)證明了磁近鄰效應(yīng)在石墨烯中引入了鐵磁性。且隨著溫度的升高,磁近鄰效應(yīng)逐漸減弱。但高于CrBr3居里溫度以上仍可以觀察到反�；魻柗至渴且驗槭┖虲rBr3之間存在釘扎效應(yīng)。當(dāng)施加的磁場方向平行于電流方向時,石墨烯中仍可以觀察到反常霍爾分量,且出現(xiàn)了明顯的負(fù)磁阻。證明了在石墨烯中確實存在自旋極化載流子。另外,單獨石墨烯的測試,排除了雙載流子模型的影響。最終確定了通過磁近鄰效應(yīng)誘導(dǎo)了鐵磁性石墨烯。該器件的建立為將來構(gòu)建二維自旋電子學(xué)器件奠定了基礎(chǔ)。(3)制備了基于CrBr3的鐵磁隧穿結(jié)。研究了該隧穿結(jié)對磁場的依賴關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)隨著磁場的變化,隧穿電阻會出現(xiàn)平臺效應(yīng)。這種電阻的平臺是因為在磁場的作用下,電子譜以量子化的形式進入朗道能級。基于CrBr3的鐵磁隧穿結(jié)存在磁輔助的隧穿機制。具體的隧穿機制是如何影響隧穿過程的還有待于進一步研究。(4)制備了一種交叉結(jié)構(gòu)的石墨烯器件。該器件是通過堆疊兩個交叉石墨烯帶制備而成。該器件在電輸運過程中存在兩種路徑,進而導(dǎo)致器件中存在兩種電阻:面內(nèi)電阻和隧穿電阻,兩種電阻在器件中存在競爭關(guān)系。通過改變器件的測試溫度,可以定量的調(diào)控兩種電阻在器件總電阻中的比例。高溫時,面內(nèi)電阻占主導(dǎo),由磁場引入的電阻變化將導(dǎo)致整體電阻增加,從而表現(xiàn)為正磁阻。而低溫下,隧穿電阻占主導(dǎo),由磁場引入的電阻變化將導(dǎo)致整體電阻減小,從而表現(xiàn)為負(fù)磁阻。基于大磁阻變化,我們設(shè)計了簡單的磁邏輯反相器,實現(xiàn)了器件性能的可控性。該反相器的建立為以后的磁邏輯器件設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TM271;TN03
【圖文】：

逡逑并聯(lián)關(guān)系，如圖１．１所示［３］。沒有磁場作用下，兩個鐵磁層的自旋方向是相反的，逡逑電子在穿過多層膜時將受到增強的自旋相關(guān)散射，從而表現(xiàn)出大電阻。當(dāng)多層膜逡逑處于磁場環(huán)境下時，兩側(cè)的鐵磁層將趨向于相同的自旋方向。在這種情況下，電逡逑子受到的來源于自旋相關(guān)的散射就會減弱，從而使得電阻降低。因此，在磁場有逡逑無的情況下，將使整個體系分別處于高低兩種不同的阻態(tài)。隨著ＧＭＲ效應(yīng)的深逡逑入研宄，一系列應(yīng)用前景和重要的物理機制相繼被發(fā)現(xiàn)。逡逑Ｓｐｉｎ邋ＦＭ邋ＮＭ邋ＦＭ邐Ｓｐｉｎ邋ＦＭ邋ＮＭ邋ＦＭ逡逑”邋ｆｔ逡逑啊邋Ｒｊ邐Ｒ邐Ｓｐｉｎ邋Ｒ，邐Ｒ？逡逑＾ｒ１＊——逡逑ｔ－ｆｌｉ￣￣■ｈ＇邐Ｔｈｂ——？－逡逑Ｒｆｔ邋Ｒ，＊逡逑圖１．１巨磁阻效應(yīng)示意圖。逡逑緊隨之后

ＭＲ效應(yīng)的存在使得其對角度具有高度敏感性，從而一直受到地磁導(dǎo)航等域的廣泛關(guān)注。隨著磁結(jié)構(gòu)的發(fā)展，一些新型的ＡＭＲ被制備出來，例各向異性磁電阻（ＴＡＭＲ）、彈道各向異性磁電阻（ＢＡＭＲ）等。逡逑磁電阻（ＧＭＲ）效應(yīng)逡逑正如前節(jié)所述ＧＭＲ的發(fā)現(xiàn)推動了自旋電子學(xué)的建立和發(fā)展，因此被認(rèn)為紀(jì)最偉大的發(fā)現(xiàn)。得益于ＧＭＲ效應(yīng)，硬盤在近年來迅速實現(xiàn)了越來越高密度，從而使得硬盤的尺寸變得越來越小。與傳統(tǒng)的ＭＲ效應(yīng)不同，ＧＭ產(chǎn)生的原因主要是由于載流子在界面處不同的自旋相關(guān)散射所致［１８］�，F(xiàn)認(rèn)為ＧＭＲ效應(yīng)的產(chǎn)生主要和兩類與自旋相關(guān)的散射有關(guān)：界面散射和膜。逡逑道磁電阻（ＴＭＲ）效應(yīng)逡逑ＴＭＲ效應(yīng)的產(chǎn)生是由于在隧道結(jié)構(gòu)中磁性層的加入會帶來與自旋相關(guān)的象。例如，在量子力學(xué)交換作用下３ｄ軌道中的局域電子能帶會出現(xiàn)劈裂能帶劈裂的出現(xiàn)會使得費米面附近不同自旋方向電子的能帶密度發(fā)生變１．２所示。逡逑邐１｜邐邐ＩＩ邐逡逑

＃邋＝邋￥是載流子遷移率，％邋＝ｎ￡７ｉ是零磁場下電導(dǎo)率，ｎ是載流子濃度。逡逑在埃德溫霍爾最初的實驗中，測量的是流經(jīng)樣品的橫向電流。而現(xiàn)在人們普遍用逡逑的方式是測量樣品的霍爾電場或橫向霍爾電壓，如圖１．３所示。逡逑Ｂ逡逑￣［／邋—邋—邋—邋—邋—邋—／逡逑￣￣￣／邋／逡逑圖１．３霍爾效應(yīng)不意圖。逡逑在實際的器件中，正�；魻栃�(yīng)主要是通過兩種方式對非磁性材料的輸運性逡逑質(zhì)產(chǎn)生影響：一種是體系的幾何結(jié)構(gòu)或邊界條件［２２，２３］；另一種是體系的非均勻性逡逑【２ｚＷ８］。對于幾何結(jié)構(gòu)的影響而言，在霍爾條結(jié)構(gòu)中，當(dāng)Ｌ》Ｗ時，在ｙ軸方向上逡逑的電流密度為零。在穩(wěn)態(tài)情況下，由積累電荷產(chǎn)生的霍爾電場可以完全抵消磁場逡逑６逡逑

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本文編號：2790889