單晶鈷薄膜與多晶鉍薄膜中的自旋輸運(yùn)研究.pdf

1、隨著電子學(xué)器件的不斷升級(jí)換代，由于器件尺寸的不斷變小而逼近量子尺度，隧穿造成的漏電與高集成度導(dǎo)致的發(fā)熱效應(yīng)成為進(jìn)一步發(fā)展的本質(zhì)困難。為了應(yīng)對(duì)這一困難，人們開始挖掘電子自旋這一之前在器件研發(fā)中被忽略的物理量的應(yīng)用潛力，試圖在集成電路中用自旋流代替電子流來進(jìn)行運(yùn)算。以自旋的研究與調(diào)控為中心發(fā)展出了一個(gè)新興的學(xué)科:自旋電子學(xué)。在自旋電子學(xué)研究中，自旋流與電流的相互轉(zhuǎn)化是最重要的核心問題之一，因?yàn)樽孕鞅仨殞?shí)現(xiàn)電探測(cè)，才能與現(xiàn)有的集成電路進(jìn)行整

2、合。在導(dǎo)體或者半導(dǎo)體中，自旋流會(huì)由于存在自旋軌道耦合，通過能帶相關(guān)的本征機(jī)制、或者散射相關(guān)的非本征機(jī)制轉(zhuǎn)化為電流，利用這種效應(yīng)可以較為簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)自旋流的探測(cè)。這種自旋流轉(zhuǎn)化為電流的現(xiàn)象在鐵磁體中表現(xiàn)為磁矩相關(guān)的反?；魻栃?yīng)，在非磁系統(tǒng)中表現(xiàn)為反自旋霍爾效應(yīng)。我在博士期間選擇了鐵磁金屬鈷的單晶薄膜與非磁金屬鉍的多晶薄膜這兩個(gè)體系，分別研究了反?；魻栃?yīng)與反自旋霍爾效應(yīng)，具體內(nèi)容如下:
　　1.通過分子束外延的生長(zhǎng)手段，在MgO(00

3、1)襯底的上得到fcc Co(001)單晶薄膜。利用膜厚對(duì)薄膜樣品的剩余電阻率進(jìn)行了連續(xù)調(diào)節(jié)，研究了反常霍爾電阻率與縱向電阻的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)反?；魻栃?yīng)的行為與先前單晶鐵薄膜中的結(jié)果類似，確定了本征反?；魻栯妼?dǎo)率的數(shù)值。
　　2.通過分子束外延在MgO(111)上直接生長(zhǎng)得到fcc Co(111)單晶薄膜，并對(duì)不同厚度的樣品做反?；魻栃?yīng)的輸運(yùn)測(cè)量。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)先前在Fe(001)、Co(0re)體系中發(fā)現(xiàn)并驗(yàn)證的反?；魻栃?yīng)標(biāo)度律，在C

4、o(111)體系中只能對(duì)[5 K，60 K]溫區(qū)的數(shù)據(jù)有效描述，在更高溫度區(qū)間內(nèi)反?；魻栯妼?dǎo)率有系統(tǒng)性的偏離。這種偏離在越低厚度的樣品中越顯著，而且隨著溫度增加而增加，有可能來源于高溫?zé)峒ぐl(fā)引起的非本征效應(yīng)。
　　3.在熱氧化生成SiO2表面，通過高真空熱蒸發(fā)制作了鐵鎳/鉍多晶雙層膜。利用微波激發(fā)鐵鎳層的鐵磁共振對(duì)鉍層進(jìn)行自旋注入，同時(shí)用導(dǎo)線連接鉍膜測(cè)量反自旋霍爾效應(yīng)。通過改變鉍層的厚度，得到反自旋霍爾效應(yīng)電流隨著鉍膜增層厚而減小

5、，并不符合理論模型的預(yù)期。我們?cè)阼F鎳與鉍之間假設(shè)存在一層界面層，基于三層膜模型解析計(jì)算了自旋霍爾效應(yīng)電流的表達(dá)式，較好地解釋了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并給出一個(gè)物理圖像:在鐵鎳/鉍的界面存在一個(gè)具有較大自旋霍爾角(-0.07)的界面層，且界面層的自旋霍爾角與鉍的體材料方向相反。
　　4.在實(shí)驗(yàn)室設(shè)備搭建中，設(shè)計(jì)了一臺(tái)超高真空腔體，配置有9個(gè)蒸發(fā)源窗口，2個(gè)光學(xué)窗口以及另外一些擴(kuò)展口，改善實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備蒸發(fā)源源數(shù)量?jī)H為三個(gè)的限制。同時(shí)，編寫了一套