非晶碳、砷化镓和硅的电学和磁学输运性能
发布时间：2021-10-26 03:08
非晶碳和半导体材料具有独特的性能，其电阻可以由电场和/或磁场等多种场来控制。非晶碳展示了丰富的电学和磁学输运现象，并具有广泛的应用，近年来受到人们越来越多的关注。而常用的半导体材料，如硅和砷化镓等，在工业中也被大量使用。本文主要研究了非晶碳、砷化镓和硅各自的电学磁学输运性能。首先，利用激光脉冲沉积（PLD）技术在玻璃衬底上制备了一批不同沉积温度的纯非晶碳膜样品。实验发现非晶碳膜的低温电导机制为跃迁机制，且随着制备温度的升高（从300℃到600℃），由单一的Efros–shklovskii型变程跃迁（ES–VRH）机制变为ES–VRH和声子跃迁混合机制。同时非晶碳膜的磁阻均为正值，磁阻随磁场的增加没有饱和趋势，且随着测试温度的升高，磁阻值急剧下降。通过定量的分析，我们认为非晶碳膜的低温磁阻机制为波函数收缩效应。其次，在纯非晶碳膜磁阻研究的基础上，通过PLD方法在500℃下成功地向其中掺入了不同含量的铁。随着铁含量的升高，其低温电导机制由ES–VRH和声子跃迁的混合机制，逐渐过渡为单一的声子跃迁机制。实验中观察到有趣的正负磁阻转换现象，认为该现象是由产生正磁阻的波函数收缩效应和产生负磁阻的...
【文章来源】：清华大学北京市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：106 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
不同p值下的磁阻随磁场的变化关系
1988 年 Fert 等人发现 Fe/Cr 三明治及多层膜结构在 4.2 K 下磁阻可达~-50%（图1.2）。随后 Parkin 等[40]在 Fe/Cr 多晶多层膜，Chien 和 Berkowitz 等人[41,42]在 Co-Cu颗粒膜中也陆续发现了 GMR 效应。关于 GMR 效应的机理可以借助于 sp-d 自旋相关散射以及层间反铁磁耦合来解释[39]。在经典的三明治结构中，铁磁层之间通过RKKY 机制实现反铁磁耦合。由于电子的传输受到铁磁层磁化的影响，当电子自旋方向与铁磁极化方向相反时，电子受到强的散射，反之则受到轻微散射。零场下铁磁层之间为反铁磁耦合，电子总会受到强的散射，而当施加磁场后，铁磁层的磁化方向趋于一致，与磁化方向相同的电子会受到微弱的散射，导致结构整体的电阻降低。而当铁磁层磁化方向达到一致后再增大磁场，磁阻将达到饱和。早期的 GMR 性能参数不好，饱和磁场甚至需要 1 T，后来随着结构优化（如自旋阀等）才加快了 GMR 器件的应用。图 1.2 不同 Cr 厚度的 Fe/Cr 多层膜的电阻随磁场的变化曲线(4.2 K)[38]
第 1 章 引言如果将 GMR 结构中的非铁磁层替换为绝缘层，就会得到 TMR 器件的结构。相比于 GMR 效应，人们更早地发现了 TMR 效应。早在 1975 年 Jullière[45]就在Fe/Ge/Co 三明治结构中观测到了 14%的电阻变化（在 4.2 K）。目前使用的绝缘层材料主要是氧化铝和氧化镁。1991 年 Miyazaki[46]在 AlOx基绝缘层体系中观测到了室温 3% 左右的 TMR 效应。现在氧化铝绝缘层体系 TMR 的最高水平（80%左右）一直由中科院物理所的韩秀峰研究员等[47]保持。2001 年 Butler 等[48]和 Mathon 等人[49]从理论上预言 MgO 绝缘层体系中的 TMR 效应可达到 1,000%以上。随后，Bowen[50]、Yuasa[51]和 Parkin[52]等人的实验结果初步支持了这一预言（图 1.3）。现在室温 CoFeB/MgO/CoFeB 三明治结构的 TMR 已经超过了 600%[53]。
【参考文献】：
博士论文
[1]过渡金属－碳复合材料和复合纳米薄膜的磁电阻和电输运特性[D]. 薛庆忠.清华大学 2004
本文编号：3458702
【文章来源】：清华大学北京市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：106 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
不同p值下的磁阻随磁场的变化关系
1988 年 Fert 等人发现 Fe/Cr 三明治及多层膜结构在 4.2 K 下磁阻可达~-50%（图1.2）。随后 Parkin 等[40]在 Fe/Cr 多晶多层膜，Chien 和 Berkowitz 等人[41,42]在 Co-Cu颗粒膜中也陆续发现了 GMR 效应。关于 GMR 效应的机理可以借助于 sp-d 自旋相关散射以及层间反铁磁耦合来解释[39]。在经典的三明治结构中，铁磁层之间通过RKKY 机制实现反铁磁耦合。由于电子的传输受到铁磁层磁化的影响，当电子自旋方向与铁磁极化方向相反时，电子受到强的散射，反之则受到轻微散射。零场下铁磁层之间为反铁磁耦合，电子总会受到强的散射，而当施加磁场后，铁磁层的磁化方向趋于一致，与磁化方向相同的电子会受到微弱的散射，导致结构整体的电阻降低。而当铁磁层磁化方向达到一致后再增大磁场，磁阻将达到饱和。早期的 GMR 性能参数不好，饱和磁场甚至需要 1 T，后来随着结构优化（如自旋阀等）才加快了 GMR 器件的应用。图 1.2 不同 Cr 厚度的 Fe/Cr 多层膜的电阻随磁场的变化曲线(4.2 K)[38]
第 1 章 引言如果将 GMR 结构中的非铁磁层替换为绝缘层，就会得到 TMR 器件的结构。相比于 GMR 效应，人们更早地发现了 TMR 效应。早在 1975 年 Jullière[45]就在Fe/Ge/Co 三明治结构中观测到了 14%的电阻变化（在 4.2 K）。目前使用的绝缘层材料主要是氧化铝和氧化镁。1991 年 Miyazaki[46]在 AlOx基绝缘层体系中观测到了室温 3% 左右的 TMR 效应。现在氧化铝绝缘层体系 TMR 的最高水平（80%左右）一直由中科院物理所的韩秀峰研究员等[47]保持。2001 年 Butler 等[48]和 Mathon 等人[49]从理论上预言 MgO 绝缘层体系中的 TMR 效应可达到 1,000%以上。随后，Bowen[50]、Yuasa[51]和 Parkin[52]等人的实验结果初步支持了这一预言（图 1.3）。现在室温 CoFeB/MgO/CoFeB 三明治结构的 TMR 已经超过了 600%[53]。
【参考文献】：
博士论文
[1]过渡金属－碳复合材料和复合纳米薄膜的磁电阻和电输运特性[D]. 薛庆忠.清华大学 2004
本文编号：3458702
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