發(fā)布時(shí)間：2020-07-14 04:38

【摘要】：以控制和操縱電子自旋為目的,研究電子輸運(yùn)性質(zhì)并進(jìn)而設(shè)計(jì)新型器件的自旋電子學(xué)(spintronics)近年來得到越來越多的關(guān)注和研究。與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體器件相比,基于自旋電子學(xué)制造的器件具有更快數(shù)據(jù)傳輸速度、更低的功耗以及更高的集成度,在未來電子器件的應(yīng)用中具有光明的前景。目前,自旋電子學(xué)在理論和實(shí)驗(yàn)上的主要研究課題包括.:自旋極化電子的產(chǎn)生、在納米材料中及界面中自旋的輸運(yùn)及探測(cè)。極低耗散甚至無耗散自旋流(spin current)的相關(guān)研究自然而然的成為自旋電子學(xué)的重要組成部分。近年來,隨著自旋電子學(xué)的迅猛發(fā)展,科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)電子自旋流與熱流之間存在著相互作用。從而催生了一個(gè)新興的研究領(lǐng)域:熱自旋電子學(xué)(spincaloritronics,也稱自旋卡諾電子學(xué))。自旋塞貝克效應(yīng)是在熱自旋電子學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生自旋流的重要方法,在坡莫合金中被首次發(fā)現(xiàn),因?yàn)闊崃鞯姆较虿煌譃闄M向自旋塞貝克效應(yīng)(Transvers spin Seebeck effect,TSSE)和縱向自旋塞貝克效應(yīng)(Longitudinal spin Seebeck effect,LSSE)。而在橫向自旋塞貝克效應(yīng)的構(gòu)型中,由于襯底與薄膜熱導(dǎo)率的不同,很難得到純凈的面內(nèi)溫度梯度。伴生的垂直方向溫度梯度會(huì)導(dǎo)致額外的熱信號(hào),所以至今仍存在爭議;相比于橫向自旋塞貝克效應(yīng),縱向自旋塞貝克效應(yīng)構(gòu)型簡單,垂直溫度梯度容易獲得且實(shí)用性更強(qiáng)。但是在相同構(gòu)型下,鐵磁金屬中還存在反常能斯特效應(yīng)(anomalous Nernst effect,ANE),此效應(yīng)和逆自旋霍爾效應(yīng)具有相同的形式,所以在探測(cè)時(shí),單從信號(hào)上無法區(qū)分。因此,縱向自旋塞貝克效應(yīng)僅僅在鐵磁絕緣體例如YIG中得到大量研究。到目前為止,有關(guān)鐵磁性導(dǎo)體中的LSSE僅有幾篇報(bào)道,其中,Kannan等人利用Fe、Ni具有相反的反常能斯特系數(shù),通過調(diào)整Fe-Ni合金中Fe和Ni的比例來找到反常能斯特信號(hào)為零的配比,在此基礎(chǔ)上研究自旋塞貝克效應(yīng),但缺少自旋塞貝克系數(shù)的計(jì)算;Holanda等人生長了 Py/NiO/Pt三層膜結(jié)構(gòu),利用NiO只能傳遞自旋流而不能傳遞電荷流的性質(zhì),成功的證明了 Py中存在自旋流,并且作者嘗試用非磁層中的電流和溫度梯度的比值重新定義了塞貝克系數(shù),但他們的定義方法取決于鐵磁(FM)-非磁(NM)界面以及非磁層的性質(zhì),由相同的鐵磁層計(jì)算出的塞貝克系數(shù)會(huì)因非磁層自旋霍爾角的不同而不同,因此不能本質(zhì)地反應(yīng)鐵磁層的性質(zhì)。在本論文中,我們重點(diǎn)研究了 Fe超薄膜中的縱向自旋塞貝克效應(yīng)并定量計(jì)算了塞貝克系數(shù)。我們通過改變薄膜厚度,發(fā)現(xiàn)Fe薄膜大約在4.8nm厚時(shí)反常能斯特信號(hào)消失;這對(duì)于研究鐵磁金屬中反常能斯特效應(yīng)機(jī)理提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù),并對(duì)于Fe薄膜中是否存在縱向自旋塞貝克效應(yīng)提供了良好的研究平臺(tái);在此厚度基礎(chǔ)上,我們生長了 Fe/Cu、Fe/Cu/Pt、W/Fe等體系,通過Pt、W中的逆自旋霍爾效應(yīng)測(cè)量發(fā)現(xiàn):蓋有Pt、W的樣品得到了相反的信號(hào),這是由于它們的自旋霍爾角反號(hào);并且信號(hào)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單層Fe及Fe/Cu雙層膜的信號(hào),成功證明了 Fe中存在縱向自旋塞貝克效應(yīng);隨后,我們用鐵磁材料中的自旋流與溫度梯度的比值重新定義了自旋塞貝克系數(shù),通過對(duì)Fe及Fe/Pt樣品的變頻鐵磁共振測(cè)量,我們得到了 Fe和Fe/Pt樣品相關(guān)的鐵磁信息進(jìn)而計(jì)算出了 Fe-Pt界面的有效自旋混合電導(dǎo)。根據(jù)自旋泵浦及界面自旋損失等相關(guān)理論,通過Pt層測(cè)得的電壓信號(hào)計(jì)算出了來自于Fe薄膜中的自旋流,最后結(jié)合施加在樣品上的溫差及材料熱導(dǎo)率我們計(jì)算出Fe薄膜上的溫度梯度及縱向自旋塞貝克系數(shù)。
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O484
【圖文】：

旋霍爾效應(yīng)（ｓｐｉｎ邋Ｈａｌｌ邋ｅｆｆｅｃｔ）［３］、自旋轉(zhuǎn)移力矩效應(yīng)（ｓｐｉｎ邋ｔｒａｎｓｆｅｒ邋ｔｏｒｑｕｅ邋ｅｆｆｅｃｔ）［４］、逡逑巨磁阻效應(yīng)（ｇｉａｎｔｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ邋ｅｆｆｅｃｔ，邋ＧＭＲ）［５，６］、隧穿磁電阻效應(yīng)（ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ逡逑ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ邋ｅｆｆｅｃｔ邋ＴＭＲ）［７，８］等。圖１．１展示了近年來自旋電子學(xué)領(lǐng)域的相逡逑關(guān)研宄熱點(diǎn)，其中為人們所熟知的巨磁阻效應(yīng)，自ＡｌｂｅｒｔＦｅｒｔ和ＰｅｔｅｒＧｒｕｎｂｅｒ兩逡逑人在Ｆｅ、Ｃｒ多層膜中發(fā)現(xiàn)以來就吸引了大量關(guān)注，后來隨著技術(shù)進(jìn)步，應(yīng)用到逡逑計(jì)算機(jī)硬盤讀出頭上，引發(fā)了硬盤“大容量、小型化”革命，促進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)信息革命逡逑的到來，他們兩人也因此發(fā)現(xiàn)而獲得２００７年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。逡逑３逡逑

大小取決于電子的運(yùn)動(dòng)速度及極化程度。對(duì)于傳統(tǒng)的電荷流，在同樣大小的電場逡逑驅(qū)動(dòng)下，自旋向上的電子與自旋向下的電子數(shù)量（ｎ）和速度（ｖ）沒有差別，此時(shí)／Ｔ邋＝逡逑／N，介＝＾＋人＝２力＝２人，而八＝去（／廣人）＝０，如圖１．２（ａ）；那么什么情況逡逑下才會(huì)有自旋流的產(chǎn)生呢？從上式很容易想到當(dāng)導(dǎo)體內(nèi)部自旋上下的電子數(shù)量逡逑不等時(shí)，便會(huì)有自旋流的產(chǎn)生，如當(dāng)電子經(jīng)過鐵磁材料后，便會(huì)發(fā)生極化，使得逡逑ｎＴ矣以，＾矣0這就是自旋極化的電流，如圖１．２（ｂ）；設(shè)想如果自旋相反的電子沿逡逑相反方向運(yùn)動(dòng)ｖＴ邋＝邋－Ｖｉ，此時(shí)／Ｔ邋＝邋－／ｉ，／ｃ＝／Ｔ＋Ａ邋＝邋０，自旋流在相同逡逑（ａ）邋Ｐｕｒｅ邋Ｃｈａｒｇｅ邋Ｃｕｒｒｅｎｔ邋（ｂ）邋Ｓｐｉｎ－Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ邋Ｃｕｒｒｅｎｔ邋（ｃ）邋Ｐｕｒｅ邋Ｓｐｉｎ邋Ｃｕｒｒｅｎｔ逡逑圖１．２⑷傳統(tǒng)的電荷流，（ｂ）自旋極化的電流，（ｃ）純自旋流（圖片取自［２０］）逡逑況下將取得最大值，并且沒有電荷流的存在，只有自旋的流動(dòng)，這就是純自旋流，逡逑如圖１．２（ｃ）。利用純自旋流傳遞信息的優(yōu)勢(shì)在于，純自旋流只傳輸角動(dòng)量，而沒逡逑５?

大小取決于電子的運(yùn)動(dòng)速度及極化程度。對(duì)于傳統(tǒng)的電荷流，在同樣大小的電場逡逑驅(qū)動(dòng)下，自旋向上的電子與自旋向下的電子數(shù)量（ｎ）和速度（ｖ）沒有差別，此時(shí)／Ｔ邋＝逡逑／N，介＝＾＋人＝２力＝２人，而八＝去（／廣人）＝０，如圖１．２（ａ）；那么什么情況逡逑下才會(huì)有自旋流的產(chǎn)生呢？從上式很容易想到當(dāng)導(dǎo)體內(nèi)部自旋上下的電子數(shù)量逡逑不等時(shí)，便會(huì)有自旋流的產(chǎn)生，如當(dāng)電子經(jīng)過鐵磁材料后，便會(huì)發(fā)生極化，使得逡逑ｎＴ矣以，＾矣0這就是自旋極化的電流，如圖１．２（ｂ）；設(shè)想如果自旋相反的電子沿逡逑相反方向運(yùn)動(dòng)ｖＴ邋＝邋－Ｖｉ，此時(shí)／Ｔ邋＝邋－／ｉ，／ｃ＝／Ｔ＋Ａ邋＝邋０，自旋流在相同逡逑（ａ）邋Ｐｕｒｅ邋Ｃｈａｒｇｅ邋Ｃｕｒｒｅｎｔ邋（ｂ）邋Ｓｐｉｎ－Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ邋Ｃｕｒｒｅｎｔ邋（ｃ）邋Ｐｕｒｅ邋Ｓｐｉｎ邋Ｃｕｒｒｅｎｔ逡逑圖１．２⑷傳統(tǒng)的電荷流，（ｂ）自旋極化的電流，（ｃ）純自旋流（圖片取自［２０］）逡逑況下將取得最大值，并且沒有電荷流的存在，只有自旋的流動(dòng)，這就是純自旋流，逡逑如圖１．２（ｃ）。利用純自旋流傳遞信息的優(yōu)勢(shì)在于，純自旋流只傳輸角動(dòng)量，而沒逡逑５?

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