半导体与磁性金属低维结构的磁输运性质研究

发布时间：2020-09-27 10:28

　　弄清材料中的电子自旋相关性质是实现自旋电子学应用的重要前提。本论文着眼于采用低温强磁场条件下的磁输运测量对窄禁带半导体Hg Te、In Ga As的低维结构中的二维电子系统以及Co/Pt磁性多层膜的自旋相关性质进行研究,主要研究内容及研究进展包括:(1)研究了Hg Te表面量子阱中二维电子系统的自旋极化率。通过对样品在垂直磁场和倾斜磁场下的磁输运性质的测量,分析了径向磁电阻随倾斜角度的演化过程。采用能够提取电子有效g因子的重合法(coincidence method),提取了样品在不同填充因子下的自旋极化率。结果表明,样品自旋极化率||**gmr的数值在1.4到3.4之间,比先前报道的Hg Te/Hg1-xCdxTe量子阱的结果要高得多;样品的自旋极化率||**gm填充因子n没有明显的依赖性,也与Hg Te/Hg1-xCdxTe量子阱的结果不同;这些差异与样品特殊的能带结构有关。(2)研究了非对称掺杂的In0.53Ga0.47As/In0.52Al0.48As量子阱中二维电子系统的零场自旋分裂能与高场有效g因子。样品的径向磁阻xxR的Shubnikov-de Haas(Sd H)磁阻振荡并没有显示出拍频效应,但是样品却呈现出明显的弱反局域效应,这表明样品具有非零的零场自旋分裂能。在高磁场下,通过对xxR由于自旋分裂导致的双峰结构的分析,得到了样品的由于电子交换作用而显著增强的高场有效g因子,*g=8.18~11.49。同时实验结果表明,样品的高场有效g因子并不依赖于倾斜角度q。另外通过对样品的Sd H磁阻振荡振幅的Dingle图进行分析,发现其Dingle图呈现出非线性的特征,分析表明这是由于样品的Sd H磁阻振荡还受到样品衬底附近掺杂的Be原子的长程散射势的影响。(3)研究了Co/Pt多层膜中的垂直各向异性,通过磁输运测量样品的反常霍尔效应分析了其垂直各向异性随薄膜厚度与温度的变化关系。实验结果表明,Pt层厚度较小的样品A不具有明显的垂直磁各向异性而是显示出超顺磁性,而样品B则具有很强的垂直磁各向异性。虽然样品A的横向霍尔磁阻xyR不显示出垂直磁各向异性的特征,但是其径向磁阻xxR呈现出复杂的行为,且从整体上看其行为类似于自旋阀。两块样品的磁各向异性随温度的变化关系也大为不同:样品A的特征磁场kB对温度具有简单的类指数式依赖关系;而样品B的矫顽磁场cB对温度T具有lnsT式依赖关系,且可明显地分为以临界温度40 KcT?为界的两个区域,在低于cT的温度区域内,s=-0.013,而在高于cT的温度区域内,s=-0.019。分析表明,样品中Pt层厚度、包含声子散射和磁极化子散射在内的电子散射机制以及二维铁磁性因素对样品的垂直磁各向异性有着重要影响。
【学位单位】：中国科学院研究生院(上海技术物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：O469
【文章目录】：
致谢
中文摘要
ABSTRACT
第1章绪论
    1.1 自旋电子学概述
        1.1.1 巨磁阻效应与金属自旋电子学
        1.1.2 自旋场效应晶体管与半导体自旋电子学
        1.1.3 新兴自旋电子学量子自旋霍尔效应与拓扑绝缘体
    1.2 电子自旋相关性质
        1.2.1 自旋轨道耦合效应与零场自旋分裂能
        1.2.2 自旋极化率
        1.2.3 磁性多层膜中的自旋极化输运
        1.2.4 磁性多层膜中的垂直磁各向异性
    1.3 本论文创新点与结构简介
    参考文献
第2章磁输运：方法、现象与理论
    2.1 磁输运测量方法及测量系统
        2.1.1 标准霍尔法
        2.1.2 范德堡法
        2.1.3 磁输运测量系统
    2.2 磁输运现象与理论
        2.2.1 经典霍尔效应与Drude电子输运理论
        2.2.2 反常霍尔效应
        2.2.3 量子霍尔效应
        2.2.4 朗道量子化与磁阻的Shubnikov-de Hass振荡
        2.2.5 弱局域效应与弱反局域效应
    参考文献
第3章 HgTe表面量子阱中二维电子系统的自旋极化率
    3.1 引言
    3.2 提取自旋极化率的重合法简介
    3.3 样品与实验条件
    3.4 实验结果与讨论
    3.5 本章小结
    参考文献
0.53Ga₀.47As/In₀.52Al₀.48As量子阱中二维电子系统的零场自旋分裂能与高场有效g因子'>第4章 In₀.53Ga₀.47As/In₀.52Al₀.48As量子阱中二维电子系统的零场自旋分裂能与高场有效g因子
    4.1 引言
    4.2 提取零场自旋分裂能的方法
        4.2.1 SdH磁阻振荡的拍频效应
        4.2.2 弱反局域效应
    4.3 提取有效g因子的方法
    4.4 样品与实验条件
    4.5 实验结果与讨论
        4.5.1 样品的零场自旋分裂能
        4.5.2 样品的高场g因子
    4.6 本章小结
    参考文献
第5章 Co/Pt磁性多层膜的垂直各向异性研究
    5.1 引言
    5.2 样品与实验条件
    5.3 实验结果与讨论
    5.4 本章小结
    参考文献
第6章结论与展望
    6.1 结论
    6.2 展望
作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果

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