非晶碳和半導(dǎo)體材料具有獨(dú)特的性能，其電阻可以由電場(chǎng)和/或磁場(chǎng)等多種場(chǎng)來(lái)控制。非晶碳展示了豐富的電學(xué)和磁學(xué)輸運(yùn)現(xiàn)象，并具有廣泛的應(yīng)用，近年來(lái)受到人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。而常用的半導(dǎo)體材料，如硅和砷化鎵等，在工業(yè)中也被大量使用。本文主要研究了非晶碳、砷化鎵和硅各自的電學(xué)磁學(xué)輸運(yùn)性能。首先，利用激光脈沖沉積（PLD）技術(shù)在玻璃襯底上制備了一批不同沉積溫度的純非晶碳膜樣品。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)非晶碳膜的低溫電導(dǎo)機(jī)制為躍遷機(jī)制，且隨著制備溫度的升高（從300℃到600℃），由單一的Efros–shklovskii型變程躍遷（ES–VRH）機(jī)制變?yōu)镋S–VRH和聲子躍遷混合機(jī)制。同時(shí)非晶碳膜的磁阻均為正值，磁阻隨磁場(chǎng)的增加沒(méi)有飽和趨勢(shì)，且隨著測(cè)試溫度的升高，磁阻值急劇下降。通過(guò)定量的分析，我們認(rèn)為非晶碳膜的低溫磁阻機(jī)制為波函數(shù)收縮效應(yīng)。其次，在純非晶碳膜磁阻研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)PLD方法在500℃下成功地向其中摻入了不同含量的鐵。隨著鐵含量的升高，其低溫電導(dǎo)機(jī)制由ES–VRH和聲子躍遷的混合機(jī)制，逐漸過(guò)渡為單一的聲子躍遷機(jī)制。實(shí)驗(yàn)中觀察到有趣的正負(fù)磁阻轉(zhuǎn)換現(xiàn)象，認(rèn)為該現(xiàn)象是由產(chǎn)生正磁阻的波函數(shù)收縮效應(yīng)和產(chǎn)生負(fù)磁阻的... 

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【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

不同p值下的磁阻隨磁場(chǎng)的變化關(guān)系

1988 年 Fert 等人發(fā)現(xiàn) Fe/Cr 三明治及多層膜結(jié)構(gòu)在 4.2 K 下磁阻可達(dá)~-50%（圖1.2）。隨后 Parkin 等[40]在 Fe/Cr 多晶多層膜，Chien 和 Berkowitz 等人[41,42]在 Co-Cu顆粒膜中也陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了 GMR 效應(yīng)。關(guān)于 GMR 效應(yīng)的機(jī)理可以借助于 sp-d 自旋相關(guān)散射以及層間反鐵磁耦合來(lái)解釋[39]。在經(jīng)典的三明治結(jié)構(gòu)中，鐵磁層之間通過(guò)RKKY 機(jī)制實(shí)現(xiàn)反鐵磁耦合。由于電子的傳輸受到鐵磁層磁化的影響，當(dāng)電子自旋方向與鐵磁極化方向相反時(shí)，電子受到強(qiáng)的散射，反之則受到輕微散射。零場(chǎng)下鐵磁層之間為反鐵磁耦合，電子總會(huì)受到強(qiáng)的散射，而當(dāng)施加磁場(chǎng)后，鐵磁層的磁化方向趨于一致，與磁化方向相同的電子會(huì)受到微弱的散射，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體的電阻降低。而當(dāng)鐵磁層磁化方向達(dá)到一致后再增大磁場(chǎng)，磁阻將達(dá)到飽和。早期的 GMR 性能參數(shù)不好，飽和磁場(chǎng)甚至需要 1 T，后來(lái)隨著結(jié)構(gòu)優(yōu)化（如自旋閥等）才加快了 GMR 器件的應(yīng)用。圖 1.2 不同 Cr 厚度的 Fe/Cr 多層膜的電阻隨磁場(chǎng)的變化曲線(4.2 K)[38]

第 1 章 引言如果將 GMR 結(jié)構(gòu)中的非鐵磁層替換為絕緣層，就會(huì)得到 TMR 器件的結(jié)構(gòu)。相比于 GMR 效應(yīng)，人們更早地發(fā)現(xiàn)了 TMR 效應(yīng)。早在 1975 年 Jullière[45]就在Fe/Ge/Co 三明治結(jié)構(gòu)中觀測(cè)到了 14%的電阻變化（在 4.2 K）。目前使用的絕緣層材料主要是氧化鋁和氧化鎂。1991 年 Miyazaki[46]在 AlOx基絕緣層體系中觀測(cè)到了室溫 3% 左右的 TMR 效應(yīng)�，F(xiàn)在氧化鋁絕緣層體系 TMR 的最高水平（80%左右）一直由中科院物理所的韓秀峰研究員等[47]保持。2001 年 Butler 等[48]和 Mathon 等人[49]從理論上預(yù)言 MgO 絕緣層體系中的 TMR 效應(yīng)可達(dá)到 1,000%以上。隨后，Bowen[50]、Yuasa[51]和 Parkin[52]等人的實(shí)驗(yàn)結(jié)果初步支持了這一預(yù)言（圖 1.3）�，F(xiàn)在室溫 CoFeB/MgO/CoFeB 三明治結(jié)構(gòu)的 TMR 已經(jīng)超過(guò)了 600%[53]。

【參考文獻(xiàn)】：
博士論文
[1]過(guò)渡金屬－碳復(fù)合材料和復(fù)合納米薄膜的磁電阻和電輸運(yùn)特性[D]. 薛慶忠.清華大學(xué) 2004



本文編號(hào)：3458702