氧化物中自旋極化材料與器件的研究.pdf

1、在信息大爆炸的當今，信息技術正以摩爾定律快速向前發(fā)展:集成電路上可容納的晶體管數(shù)目約每隔18個月便會增加一倍，而且性能提高一倍。然而隨著器件尺寸的減小和集成化的提高，電子的量子效應使半導體器件越來越接近其物理極限。為了突破摩爾定律瓶頸，自旋電子學應運而起:同時調控電子的電荷和自旋兩種屬性，引入全新的信息存儲和處理模式，使得自旋電子器件相對于傳統(tǒng)半導體器件具有運算速度更快、器件尺寸更小、能耗更低、信息存儲非易失等優(yōu)異性能，這引發(fā)了科研界和

2、工業(yè)界的廣泛關注與研究，成為當前凝聚態(tài)物理、材料科學和信息科學等諸多領域共同關注的研究熱點。自旋電子器件的設計和制備需要實現(xiàn)自旋極化電流的產(chǎn)生、注入、傳輸、檢測和調控，在材料中產(chǎn)生自旋極化電流是實現(xiàn)自旋電子器件的首要條件，因而高自旋極化率材料是這一切的基礎和關鍵，近年來物理、信息、材料領域大量的工作集中于自旋極化材料的探索，先后制備出了各種磁性半導體、半金屬、拓撲絕緣體等新材料。自旋極化材料制備和自旋電子器件設計是自旋電子學的兩個主要部

3、分。本文基于國內外對自旋電子材料和器件的研究基礎之上，設計和制備出新型的自旋極化材料與器件，并對材料和器件的結構和性能進行了檢測和分析。
　　磁性半導體是一種具有重要前景的自旋極化材料，能夠克服電導不匹配的限制實現(xiàn)自旋注入，是新型自旋器件的支撐材料，具有豐富的物理內涵和應用前景，成為自旋電子學的研究熱點。在各種磁性半導體種，寬禁帶磁性半導體由于具有室溫鐵磁性吸引了研究者的廣泛關注，基于ZnO、In2O3、TiO2等氧化物半導體的過

4、渡金屬摻雜體系中都觀察到了室溫鐵磁性。但是絕大部分工作集中于其結構、磁性和磁性物理起源等方面，對于自旋極化這一最重要性質卻少有研究報道。我們通過磁性隧道結、反常霍爾效應以及磁電阻等多個方面研究分析，證明了我們制備的氧化物磁性半導體具有自旋極化特性。
　　為了提升信息存儲和處理能力，人們在不斷探索開發(fā)基于自旋極化材料的各種新型自旋電子器件。自旋場效應管、自旋發(fā)光二極管、MRAM、Racetrack存儲器、多鐵隧道結等新型器件紛紛涌現(xiàn)

5、，這些新型器件采用全新的信息存儲和處理模式，具有巨大的應用前景。我們設計構造了具有隧穿磁電阻和電致阻變的多態(tài)存儲器件，可以實現(xiàn)高密度、低功耗、非易失的信息存儲。我們制備的具有自旋相關偏壓的磁性隧道結，可以實現(xiàn)巨大的磁阻，是一種靈敏的交流磁性傳感器。
　　具體工作介紹主要有以下四個方面:
　　(1)我們制備了濃磁半導體Zn1-xCoxO，并進一步證明和測量了其自旋極化。我們使用高真空磁控濺射儀采用交替濺射方法，制備出高鈷含量的

6、磁性半導體Zn1-xCoxO，并進一步利用金屬掩模構造了100um×100um的隧道結器件Co/ZnO/Zn1-xCoxO。在該隧道結中我們觀察到了室溫磁電阻，其隨著溫度的降低逐漸增強，在2K溫度下我們觀察到19.7％的隧穿磁電阻。通過Julliere理論模型，可以推得其自旋極化率大約為25％。結電阻隨溫度變化曲線顯示非直接彈性躍遷的存在，這表明勢壘中有缺陷態(tài)，由于缺陷態(tài)會減弱磁電阻，Zn1-xCoxO真實極化率應高于理論推算值。另外我

7、們還觀察到了Zn1-xCoxO室溫下的反?；魻栃?，其曲線與磁性曲線完全重合。這些結果證明我們制備出了自旋極化的Zn1-xCoxO磁性半導體。
　　(2)我們制備了納米復材料(In0.95Fe0.05)2O3，其在磁、電、光等方面表現(xiàn)出優(yōu)異性能。我們采用脈沖激光沉積的方法，在YSZ(111)襯底上外延生長出自組裝Fe3O4納米柱的In2O3薄膜，通過控制生長溫度和生長條件，F(xiàn)e3O4納米柱尺寸大約幾十納米，XRD掃描表明In2O3

8、和Fe3O4都沿{111}晶向外延生長。由于柱狀Fe3O4的存在，該納米復合材料具有較強的磁各向異性，易軸方向為垂直膜面方向，其飽和磁化強度為8.3emu/cm3。室溫下我們觀察到與磁性曲線完全吻合的反?；魻栃@表明材料載流子的自旋極化。同時該納米復合材料具有磁光效應和透明導電特性，是一種優(yōu)異的多功能復合材料。
　　(3)我們提出并成功通過復合勢壘制備了集合隧穿磁電阻和電致阻變的隧道結。我們使用磁控濺射儀，利用金屬掩模技術，設

9、計和構造了同時具有隧穿磁阻效應和電致阻變效應的多態(tài)非揮發(fā)存儲器件Co/CoO-ZnO/Co。我們通過在Co薄膜上濺射2nmZnO生成復合勢壘層CoO-ZnO。在ZnO的沉積過程中，由于氧原子的擴散，界面處的金屬鈷發(fā)生氧化;磁性和XPS測量結果顯示CoO厚度大約為2nm。該復合勢壘成功得將巨大電致阻變和磁阻有效的結合在一起。該器件具有良好的阻變開關特性，室溫下高低阻態(tài)之間大小相差90倍，高阻態(tài)遵循隧穿導電機制，低阻態(tài)表現(xiàn)為金屬導電特性。同

10、時該器件在室溫下具有8％的隧穿磁阻效應?；谠囼灲Y果和理論分析，我們通過氧空位在氧化鋅與氧化鈷間的往返運動解釋器件阻變原理。
　　(4)我們通過不對稱性勢壘設計了具有磁場相關整流效應的磁性隧道結。利用不對稱性勢壘CoO-ZnO制備的磁性隧道結，在交流信號下通過整流效應產(chǎn)生自旋相關的mV量級的直流電壓，并從而產(chǎn)生巨大的磁電阻效應，而且磁電阻隨著電流變化會產(chǎn)生變號現(xiàn)象。在1.5nA下樣品的磁電阻為-95％，，在-1nA電流下磁電阻為2