二维铁磁材料的制备及其自旋器件的研究

发布时间：2020-08-12 18:47

【摘要】：电子拥有两个内禀属性:电荷自由度和自旋自由度。传统的电子器件是通过操控电子电荷自由度来实现信息的处理。然而,因为量子效应的存在,“摩尔定律”的失效使得基于电荷自由度的电子器件在微型化、集成化等方面出现了大的瓶颈。因此,人们尝试利用电子的自旋自由度来制备新型器件。随着对电子自旋自由度的深入研究,“自旋电子学”应运而生了。自旋电子学的研究目标是探究电子自旋极化输运性能以及开发基于自旋电子学的功能器件。相比于传统的电子器件,基于自旋电子学的器件拥有众多优势,包括信息处理速度快、功耗低、稳定性好、集成度高。特别的,在磁性半导体材料中,载流子是拥有自旋极化特性的,因此可以同时利用电子的两个自由度,这将可能发展出微电子器件的新功能。进而发展出另一种信息处理技术模式,即信息的传输、处理和存储可以通过电荷自由度和自旋自由度两个参量来控制。另一方面,自石墨烯被证实为稳定的二维材料以来,众多的二维材料因在电学、力学、光学以及能源等方面表现出独特的性能而被广大科研工作者所关注。近几年来关于二维材料本征磁性的发现为二维材料的发展开辟了另一个新道路,使得二维材料有可能被应用到自旋电子学器件中。但关于二维材料本征磁性的机理还有待研究,基于磁性二维材料的器件设计与制备同样需要深入探索。本论文首先合成了二维材料CrBr3,证实了该材料本征磁性的存在。在此基础上,设计和发展了基于磁性二维材料的自旋器件,并实现了器件性能的可控调节。本文的具体内容总结如下:(1)通过自主搭建的管式炉成功合成了 CrBr3单晶。对单晶CrBr3样品进行了一系列的物性表征。XRD确认了合成的晶体为(00l)取向的单晶。XPS、TEM和拉曼测试均证实了合成的CrBr3为单晶且没有杂质。通过荧光光谱的测试确定了单晶CrBr3的带隙为1.35eV。通过磁性测试,确定了CrBr3的铁磁性,其居里温度为32 K,矫顽场约为50 Oe,饱和场约为8kOe。通过磁各向异性的测试表明CrBr3呈现出明显的磁各向异性,易极化轴为c轴。(2)采用机械剥离和异质结堆叠方法,成功制备了 G/CrBr3异质结构器件。通过对石墨烯的电输运性能进行测试,我们证实了在石墨烯和铁磁CrBr3之间存在明显的磁近邻效应。石墨烯中反常霍尔分量的出现证明了磁近邻效应在石墨烯中引入了铁磁性。且随着温度的升高,磁近邻效应逐渐减弱。但高于CrBr3居里温度以上仍可以观察到反常霍尔分量是因为石墨烯和CrBr3之间存在钉扎效应。当施加的磁场方向平行于电流方向时,石墨烯中仍可以观察到反常霍尔分量,且出现了明显的负磁阻。证明了在石墨烯中确实存在自旋极化载流子。另外,单独石墨烯的测试,排除了双载流子模型的影响。最终确定了通过磁近邻效应诱导了铁磁性石墨烯。该器件的建立为将来构建二维自旋电子学器件奠定了基础。(3)制备了基于CrBr3的铁磁隧穿结。研究了该隧穿结对磁场的依赖关系。研究发现随着磁场的变化,隧穿电阻会出现平台效应。这种电阻的平台是因为在磁场的作用下,电子谱以量子化的形式进入朗道能级。基于CrBr3的铁磁隧穿结存在磁辅助的隧穿机制。具体的隧穿机制是如何影响隧穿过程的还有待于进一步研究。(4)制备了一种交叉结构的石墨烯器件。该器件是通过堆叠两个交叉石墨烯带制备而成。该器件在电输运过程中存在两种路径,进而导致器件中存在两种电阻:面内电阻和隧穿电阻,两种电阻在器件中存在竞争关系。通过改变器件的测试温度,可以定量的调控两种电阻在器件总电阻中的比例。高温时,面内电阻占主导,由磁场引入的电阻变化将导致整体电阻增加,从而表现为正磁阻。而低温下,隧穿电阻占主导,由磁场引入的电阻变化将导致整体电阻减小,从而表现为负磁阻。基于大磁阻变化,我们设计了简单的磁逻辑反相器,实现了器件性能的可控性。该反相器的建立为以后的磁逻辑器件设计奠定了基础。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM271;TN03
【图文】：

示意图,巨磁阻效应,示意图,自旋方向

逡逑并联关系，如图１．１所示［３］。没有磁场作用下，两个铁磁层的自旋方向是相反的，逡逑电子在穿过多层膜时将受到增强的自旋相关散射，从而表现出大电阻。当多层膜逡逑处于磁场环境下时，两侧的铁磁层将趋向于相同的自旋方向。在这种情况下，电逡逑子受到的来源于自旋相关的散射就会减弱，从而使得电阻降低。因此，在磁场有逡逑无的情况下，将使整个体系分别处于高低两种不同的阻态。随着ＧＭＲ效应的深逡逑入研宄，一系列应用前景和重要的物理机制相继被发现。逡逑Ｓｐｉｎ邋ＦＭ邋ＮＭ邋ＦＭ逦Ｓｐｉｎ邋ＦＭ邋ＮＭ邋ＦＭ逡逑”邋ｆｔ逡逑啊邋Ｒｊ逦Ｒ逦Ｓｐｉｎ邋Ｒ，逦Ｒ？逡逑＾ｒ１＊——逡逑ｔ－ｆｌｉ￣￣■ｈ＇逦Ｔｈｂ——？－逡逑Ｒｆｔ邋Ｒ，＊逡逑图１．１巨磁阻效应示意图。逡逑紧随之后

隧道磁电阻,理论模型

ＭＲ效应的存在使得其对角度具有高度敏感性，从而一直受到地磁导航等域的广泛关注。随着磁结构的发展，一些新型的ＡＭＲ被制备出来，例各向异性磁电阻（ＴＡＭＲ）、弹道各向异性磁电阻（ＢＡＭＲ）等。逡逑磁电阻（ＧＭＲ）效应逡逑正如前节所述ＧＭＲ的发现推动了自旋电子学的建立和发展，因此被认为纪最伟大的发现。得益于ＧＭＲ效应，硬盘在近年来迅速实现了越来越高密度，从而使得硬盘的尺寸变得越来越小。与传统的ＭＲ效应不同，ＧＭ产生的原因主要是由于载流子在界面处不同的自旋相关散射所致［１８］。现认为ＧＭＲ效应的产生主要和两类与自旋相关的散射有关：界面散射和膜。逡逑道磁电阻（ＴＭＲ）效应逡逑ＴＭＲ效应的产生是由于在隧道结构中磁性层的加入会带来与自旋相关的象。例如，在量子力学交换作用下３ｄ轨道中的局域电子能带会出现劈裂能带劈裂的出现会使得费米面附近不同自旋方向电子的能带密度发生变１．２所示。逡逑逦１｜逦逦ＩＩ逦逡逑

霍尔效应,霍尔电场

＃邋＝邋￥是载流子迁移率，％邋＝ｎ￡７ｉ是零磁场下电导率，ｎ是载流子浓度。逡逑在埃德温霍尔最初的实验中，测量的是流经样品的横向电流。而现在人们普遍用逡逑的方式是测量样品的霍尔电场或横向霍尔电压，如图１．３所示。逡逑Ｂ逡逑￣［／邋—邋—邋—邋—邋—邋—／逡逑￣￣￣／邋／逡逑图１．３霍尔效应不意图。逡逑在实际的器件中，正常霍尔效应主要是通过两种方式对非磁性材料的输运性逡逑质产生影响：一种是体系的几何结构或边界条件［２２，２３］；另一种是体系的非均匀性逡逑【２ｚＷ８］。对于几何结构的影响而言，在霍尔条结构中，当Ｌ》Ｗ时，在ｙ轴方向上逡逑的电流密度为零。在稳态情况下，由积累电荷产生的霍尔电场可以完全抵消磁场逡逑６逡逑

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