本文關(guān)鍵詞：低阻尼Co_2MnSi薄膜的生長、結(jié)構(gòu)、磁性和酞菁銅中多級阻變、記憶效應(yīng)研究

  更多相關(guān)文章： Co_2M_nSi Gilbert阻尼因子 雙磁振子散射 CuPc 電致阻變

【摘要】：半導(dǎo)體技術(shù)的不斷進(jìn)步、信息工業(yè)的持續(xù)發(fā)展和人類對計算機(jī)性能的無止境需求推動著隨機(jī)存儲器(random access memory, RAM)技術(shù)不斷向前發(fā)展。RAM和CPU直接交換數(shù)據(jù),所以RAM的性能直接影響到CPU的速度,進(jìn)而影響整個計算機(jī)的表現(xiàn)。目前計算機(jī)常用的RAM是基于電容技術(shù),由于電容有漏電流,所以RAM需要定時刷新以防止數(shù)據(jù)丟失。這種容易丟失數(shù)據(jù)的易失性隨機(jī)存儲器逐漸不能滿足人類的需求。2010年,國際半導(dǎo)體技術(shù)藍(lán)圖新興器件(Emerging Research Devices)和新興材料(Emerging Research Materials)工作組指出基于自旋轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)矩效應(yīng)(spin transfer torque, STT)的自旋轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)矩磁隨機(jī)存儲器(STTMRAM)和基于電致阻變效應(yīng)的阻變隨機(jī)存儲器(resistance random access memory, RRAM)是最有可能成為超越16 nm技術(shù)的下一代非易失性隨機(jī)存儲器(non-volatile random access memory, NVRAM)。在由固定磁性層、中間層和自由磁性層組成的三明治結(jié)構(gòu)中,當(dāng)由固定磁性層流向自由磁性層的電流密度超過臨界值后,自由磁性層的磁矩朝著固定磁性層磁矩的方向反轉(zhuǎn)；當(dāng)電流反向時,被固定磁性層反射回來的和固定磁性層磁化方向相反的電子使自由磁性層的磁矩向固定磁性層磁矩相反方向反轉(zhuǎn)。這種現(xiàn)象稱為STT效應(yīng)。這種三明治結(jié)構(gòu)中兩個磁性層磁矩的不同組態(tài)對應(yīng)著器件的不同電阻態(tài)：當(dāng)兩個磁性層磁矩方向平行時對應(yīng)的是低電阻狀態(tài)；相反時對應(yīng)的是高電阻狀態(tài)。這樣通過STT效應(yīng)就可以實現(xiàn)邏輯態(tài)的反轉(zhuǎn),而磁性層的磁化方向斷電后并不改變,這樣就實現(xiàn)了NVRAM.STT的臨界電流密度正比于自由磁性層的Gilbert阻尼因子,所以降低自由磁性層的Gilbert阻尼因子對降低臨界電流密度、提高STTMRAM存儲密度、減小器件損耗意義重大。Co基Heusler合金居里溫度很高、具有半金屬性質(zhì)而且在高隧穿磁電阻(tunelling magnetoresistance, TMR)磁性隧道結(jié)(magnetic tunelling junction, MTJ)中應(yīng)用廣泛。除此之外它還是一種Gilbert阻尼因子比較低的磁性材料。我們用磁控濺射在加熱MgO襯底上生長了Co2MnSi Heusler合金薄膜,通過控制襯底溫度和后續(xù)退火溫度提高了Co2MnSi薄膜的晶體質(zhì)量。鐵磁共振測試結(jié)果擬合表明,300℃生長后550℃退火的樣品Gilbert阻尼因子低至0.00015,是目前報道的金屬材料中的最小值。不言而喻,精確測量材料的Gilbert阻尼因子不論對應(yīng)用物理和基礎(chǔ)物理都具有很重要的意義。鐵磁共振是測量材料Gilbert阻尼因子的常用方法,通過分析共振線寬隨測試頻率的變化關(guān)系,可以得出其數(shù)值。鐵磁共振中微波場激發(fā)的一致進(jìn)動自旋波對應(yīng)的波矢k=0。一方面,這些k=0的自旋波可能通過磁振子-電子相互作用將能量傳遞給晶格,這個過程稱為Gilbert阻尼；另一方面k=0的自旋波也可能被磁各向異性、雜質(zhì)、表面態(tài)、第二相等等因素散射成k≠0的自旋波,這個過程稱為雙磁振子散射。由此可見,鐵磁共振的共振線寬至少包含Gilbert阻尼項和雙磁振子散射項。然而有很多文獻(xiàn)在計算Gilbert阻尼的過程中都忽略了雙磁振子散射的貢獻(xiàn),這只有在寬頻域測量鐵磁共振線寬是測試頻率的線性函數(shù)的情況下才是可行的。對于鐵磁共振線寬隨測試頻率變化的非單調(diào)行為目前研究報道很少,特別在寬頻域范圍內(nèi)尚未有報道。我們在5-40GHz的寬頻域范圍內(nèi),在300℃和400℃生長550℃退火的Co2MnSi薄膜中觀測到這種非單調(diào)行為�；赟angita等人的工作,我們發(fā)展了雙磁振子散射對共振線寬貢獻(xiàn)的模型,采用數(shù)值計算雙磁振子散射簡并積分和線性回歸的方法,擬合了共振線寬隨測試頻率變化的非單調(diào)、單調(diào)非線性和線性行為,并且在計算和擬合過程中沒有采用固定參數(shù)來減小計算難度。擬合結(jié)果表明,雙磁振子散射對共振線寬的非線性行為有決定性的貢獻(xiàn),但是對于線性行為貢獻(xiàn)很小,在寬頻域測試范圍內(nèi)是可以忽略的。由于有機(jī)材料具有儲量豐富、成本低廉、可以印刷或者旋涂制備、可彎曲等等很多優(yōu)點,近些年來在OLED、有機(jī)薄膜晶體管、有機(jī)太陽能電池領(lǐng)域中得到廣泛研究。由于器件結(jié)構(gòu)多樣、存儲密度大、開關(guān)比高等等性質(zhì),小分子、聚合物、復(fù)合材料等有機(jī)物在RRAM中的潛在應(yīng)用被普遍重視研究。但是相對于無機(jī)材料而言,有機(jī)材料不具有長程有序性,也不具有較強(qiáng)的相互作用,分子與分子之間靠比較弱的范德瓦爾斯力結(jié)合,導(dǎo)致載流子的局域性較強(qiáng)。這些載流子在被熱激發(fā)“跳離”局域態(tài)之前不會對電導(dǎo)有貢獻(xiàn),導(dǎo)致有機(jī)材料中載流子的遷移率較低。而且有機(jī)材料中的載流子傳輸機(jī)制不甚明了,仍然需要廣泛、深入的研究。目前提出的導(dǎo)電機(jī)制有歐姆導(dǎo)電、肖特基發(fā)射、熱致發(fā)射、空間電荷限制電流、隧穿、離子導(dǎo)電、跳躍導(dǎo)電、雜質(zhì)導(dǎo)電等等。基于這些導(dǎo)電機(jī)制,對有機(jī)材料電致阻變機(jī)理的解釋多種多樣。由于有機(jī)材料電致阻變器件結(jié)構(gòu)多樣,并且阻變機(jī)制也可能依賴于使用的具體材料,所以一個統(tǒng)一的阻變模型可能并不存在,甚至在同一個器件中也會有不同的機(jī)制同時起作用。基于有機(jī)材料的電致阻變機(jī)理仍需要進(jìn)一步研究。酞菁銅(copper phthalocyanine, CuPc)是一種典型的共軛p型小分子有機(jī)半導(dǎo)體,在OLED、有機(jī)薄膜晶體管、有機(jī)太陽能電池中應(yīng)用廣泛。但是基于CuPc的電致阻變器件研究很少。我們應(yīng)用磁控濺射和真空熱蒸發(fā)的方法制備了不同電極材料的CuPc電致阻變器件,從中首次發(fā)現(xiàn)了多級電致阻變現(xiàn)象。當(dāng)上、下電極都是Co時,是單極阻變,低阻態(tài)的穩(wěn)定性比較差;但是使用Au做下電極、Co做上電極時是雙極阻變,低阻態(tài)的穩(wěn)定性大幅提高,在10000s的測試時間內(nèi)沒有觀測到低阻態(tài)的退變現(xiàn)象。低阻態(tài)和高阻態(tài)的電阻隨溫度變化的測試結(jié)果表明,阻變前后器件的導(dǎo)電機(jī)制沒有發(fā)生性質(zhì)上的變化,它們的電阻都隨著溫度的降低而增大,是典型的半導(dǎo)體導(dǎo)電行為。在較低溫度下和γ=1/3的Mott變程躍遷模型符合較好,較高溫度下有明顯偏離。擬合結(jié)果給出低阻態(tài)和高阻態(tài)的費米能級處態(tài)密度相差三個量級,從而導(dǎo)致了低阻態(tài)和高阻態(tài)之間電阻的巨大差異。低阻態(tài)電阻隨溫度和結(jié)面積的變化規(guī)律排除了導(dǎo)電通道阻變機(jī)制。根據(jù)電致阻變的測試結(jié)果和熱蒸發(fā)CuPc薄膜的性質(zhì),我們認(rèn)為空穴在CuPc缺陷態(tài)中的受陷和脫陷行為導(dǎo)致了阻變的發(fā)生。雖然CuPc與上電極之間的AlO3和與下電極Au之間的偶極層對阻變的發(fā)生沒有貢獻(xiàn),但是它們對低電阻態(tài)的穩(wěn)定性非常重要。
【關(guān)鍵詞】：Co_2M_nSi Gilbert阻尼因子 雙磁振子散射 CuPc 電致阻變
【學(xué)位授予單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：O484.1
【目錄】：

• 摘要10-13
• Abstract13-17
• 第1章 緒論17-39
• 第1節(jié) 非易失性隨機(jī)存儲器(NVRAM)17-21
• 1.1.1. 阻變隨機(jī)存儲器(RRAM)18-20
• 1.1.2. 磁隨機(jī)存儲器(MRAM)20-21
• 第2節(jié) 自旋轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)矩(STT)21-25
• 第3節(jié) 鐵磁馳豫25-32
• 1.3.1. 一致進(jìn)動模式25-27
• 1.3.2. 鐵磁共振27-29
• 1.3.3. 微波損失和鐵磁共振線寬29-31
• 1.3.4. 共振線寬分析：Gilbert阻尼項和雙磁振子散射項31-32
• 第4節(jié) 本論文的研究內(nèi)容和方法32-34
• 參考文獻(xiàn)34-39
• 第2章 樣品的制備方法與測量手段39-51
• 第1節(jié) 樣品的制備方法39-44
• 2.1.1. 磁控濺射39-42
• 2.1.2. 電阻熱蒸發(fā)42-44
• 第2節(jié) 樣品的測量手段44-50
• 2.2.1. 透射電子顯微鏡(TEM)44-45
• 2.2.2. 鐵磁共振(FMR)45-46
• 2.2.3. 超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID)46-47
• 2.2.4. X射線衍射儀(XRD)47-48
• 2.2.5. 交變梯度場磁強(qiáng)計(AGM)48-50
• 參考文獻(xiàn)50-51
• 第3章 Heusler合金Co_2MnSi的生長和結(jié)構(gòu)表征51-67
• 第1節(jié) Heusler合金51-55
• 3.1.1. Heusler合金的晶體結(jié)構(gòu)51-52
• 3.1.2. Heusler合金的磁性52-53
• 3.1.3. Heusler合金的應(yīng)用53-55
• 第2節(jié) Co_2MnSi的生長和結(jié)構(gòu)表征55-63
• 第3節(jié) 小結(jié)63
• 參考文獻(xiàn)63-67
• 第4章 Co_2MnSi的磁性：磁各向異性和Gilbert阻尼因子67-91
• 第1節(jié) 磁各向異性67-75
• 4.1.1. 磁各向異性的起源68-69
• 4.1.2. 磁各向異性模型69-71
• 4.1.3. Co_2MnSi的磁各向異性：AGM71-75
• 第2節(jié) Co_2MnSi的阻尼因子75-88
• 4.2.1. Gilbert阻尼76
• 4.2.2. Mosaicity76-77
• 4.2.3. 雙磁振子散射77-78
• 4.2.4. 面內(nèi)測量78-83
• 4.2.5. 面外測量83-88
• 第3節(jié) 小結(jié)88-89
• 參考文獻(xiàn)89-91
• 第5章 Co_2MnSi的磁性：雙磁振子散射91-105
• 第1節(jié) 雙磁振子散射的量子力學(xué)圖像91-100
• 5.1.1. 鐵磁馳豫91-92
• 5.1.2. 自旋波理論92-97
• 5.1.3. 雙磁振子散射97-100
• 第2節(jié) Co_2MnSi薄膜中共振線寬的非單調(diào)行為100-103
• 第3節(jié) 小結(jié)103
• 參考文獻(xiàn)103-105
• 第6章 酞菁銅中的電致阻變和記憶效應(yīng)105-121
• 第1節(jié) 有機(jī)物中的電致阻變現(xiàn)象105-109
• 6.1.1. 有機(jī)阻變器件的材料、結(jié)構(gòu)105-106
• 6.1.2. 阻變的機(jī)制106-108
• 6.1.3. 器件性能參數(shù)108-109
• 第2節(jié) 酞菁銅中的多級阻變和記憶效應(yīng)109-117
• 6.2.1. 樣品制備和測試109-110
• 6.2.2. 測量結(jié)果和討論110-117
• 第3節(jié) 小結(jié)117
• 參考文獻(xiàn)117-121
• 第7章 總結(jié)和展望121-125
• 第1節(jié) 本論文的研究內(nèi)容和結(jié)論121-122
• 第2節(jié) 本論文的特色和創(chuàng)新122-123
• 第3節(jié) 下一步工作展望123-125
• 致謝125-127
• 已發(fā)表和即將發(fā)表的論文127-128
• 參加的學(xué)術(shù)會議128-129
• 附件129

【參考文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 袁廣才;徐征;趙謖玲;張福俊;姜薇薇;黃金昭;宋丹丹;朱海娜;黃金英;徐敘tb;;對以并五苯和酞菁銅為不同有源層的有機(jī)薄膜晶體管特性研究[J];物理學(xué)報;2008年09期

中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前1條

1 夏海艷;自旋閥結(jié)構(gòu)中自旋轉(zhuǎn)移矩效應(yīng)驅(qū)動磁化[D];蘭州大學(xué);2012年

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本文編號：765234