半导体和有机物材料的自旋注入研究

发布时间：2020-11-02 03:19

　　 半导体自旋电子学领域的研究可以将半导体与磁性材料的优势结合在一起。甚至可以在单个芯片上集成存储,检测,逻辑和通信等不同的功能。氮化镓(GaN)是具有高热稳定性的宽带隙半导体,通常被用于光电,高频和高功率微电子领域。GaN具有弱的自旋轨道相互作用,并且具有较长的自旋弛豫时间,这使得GaN成为一种非常适合半导体自旋电子学研究的材料。与无机自旋电子器件相比,有机自旋电子器件也非常吸引人,因为有机材料的电荷载流子的自旋寿命长,而且其成本相对较低,并且具有柔性和化学多样性。近年来,关于半导体自旋电子学和有机自旋电子学的研究引起了人们极大的兴趣。在本论文中,我们研究了包含砷化铟(InAs)/砷化镓(GaAs)量子点和铟镓氮(InGaN)/GaN量子阱的自旋发光二极管(Spin-LED)中的自旋注入。此外,我们还研究了有机多铁性隧道结的铁电性能。首先,我们研究了包含单层p掺杂InAs/GaAs量子点(QD)的spin-LED,在零施加磁场下,其发射光的圆偏振度(Pc)高达18%。与偏置电压的依赖关系表明,在10K时,偏置电压为2.5V(对应于6μA)时,自旋偏振度达到最大值。此外,温度对Pc也有很强的影响,在60K-80K温度范围前后Pc有显著变化。最后,我们从辐射复合时间τr和自旋弛豫时间τs之间的竞争关系讨论了偏振度与偏压和温度的依赖关系。对p掺杂InAs/GaAs QD spin-LED的自旋弛豫机制的理解有助于进一步提高spin-LED的器件性能。另外,我们在GaN上实现了具有垂直磁各向异性的自旋注入结的外延生长,并研究了 GaN spin-LED的自旋注入过程。我们研究了 Fe/MgO和Co/MgO两种自旋注入结。首先,通过使用原位反射式高能电子衍射仪和原子力显微镜研究了温度对MgO生长的影响。然后,我们研究了 Fe或Co在MgO/GaN上的生长。与Fe/MgO相比,Co/MgO自旋注入结具有明显的垂直磁各向异性。此外,我们通过第一性原理计算来了解Co/MgO(111)界面上的垂直磁各向异性的起源。最后,在n-i-p型GaNLED结构上生长了 Co(0001)/MgO(111)自旋注入结并制备了 GaN spin-LED器件。然而,在偏振分辨的电致发光谱测量中未检测到圆偏振光发射。这可能是由于在Co/MgO界面处形成的氧化层或是由于未优化的GaN LED结构导致。最后,我们研究了基于掺杂有四氧化三铁(Fe3O4)纳米颗粒的聚偏二氟乙烯(PVDF)势垒的有机多铁性隧道结。有机多铁性隧道结最近吸引了很多关注,因为它们可以结合自旋电子学,有机电子学和铁电电子学的优点。我们成功地制备了La0.6Sr0.4MnO3/PVDF:Fe3O4/Co有机多铁性隧道结,结果表明,在PVDF势垒层中加入Fe3O4纳米颗粒可以显著改善该有机多铁性隧道结的铁电性能。PVDF:Fe3O4基有机多铁性隧道结在10K时显示出约450%的高隧穿电致电阻(TER),是纯PVDF基有机多铁性隧道结的6倍。此外,两种极化态之间的高能量势垒(14meV)保证了含有Fe3O4纳米颗粒的有机多铁性隧道结具有更好的热稳定性,即使在室温下也能保持100%的TER。含有PVDF:Fe3O4纳米复合材料的有机多铁性隧道结的铁电性能的提高将促进有机多铁性隧道结在记忆电阻器和自旋电子学中的应用。
【学位单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2020
【中图分类】：O469
【部分图文】：

ｐ？－???????：／?＾—??Ｍ?－?－＋８０％?，潑?＠?．??（Ｆｅ?３ｎｍ／Ｃｒ?１．２ｎｍ）?ｏ．７?－?＼?＾?￣??？ｌ．??Ｗ?＿?）ｙ｜?ｙＴ??（Ｆｅ?３ｎｍ?ｌ?Ｃｒ?０．９ｎｍ）?，?ｒ?／?ｊｒ??￣?．?一￣縦夢观■??０３?－?ｉ?？?＇?－＾７?？??ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?１?ｌ?Ｉ?．?Ｉ?，?／??－４０?－３０?■００?－１０?０?１０?２０?３０?４０??Ｈ?（ｋＧａｕｓｓ）??图１．１?（ａ＞?Ｆｅ?／?Ｃｒ超晶格在外部磁场Ｈ下在４．２Ｋ时的电阻变化。Ｈｓ是饱和常（ｂ）在??Ｆｌ＿２叠层中发生的散射过程的示意图。该三层膜由两个相同的铁磁层Ｆ１和Ｆ２夹着一??个非磁性金属间隔层Ｍ组成，电流在平面内循环［７］。??采用溅射方法沉积的多层材料中也显示了?ＧＭＲ效应，进而扩展了其工业应??用的可能性。此外，铜具有高的自旋扩散长度可使电子保留数纳米的自旋极化［８］，??因此铜也可以作为非磁性间隔材料。自旋阀结构的出现使得巨磁阻效应的应用很??快变为现实［９］。在ＧＭＲ效应研宄的初始阶段，自旋阀结构中的电流方向仅沿层??平面内（ＣＩＰ）。而且，图１．２（ａ）中所示的ＣＩＰ自旋阀结构也有限制器件尺寸缩小??的问题。１９９３年，Ｂａｓｓ，Ｐｒａｔｔ和Ｓｃｈｒｏｅｄｅｒ［１（Ｍ１］采用将磁性多层膜夹在超导电极??之间的方法实现了垂直于平面的电流（ＣＰＰ）结构的实验。在ＣＰＰ结构中，ＧＭＲ??不仅高于ＣＩＰ结构，而且ＧＭＲ效应还存在于相对较厚的（直至微米级）的多层结??构中［ｍ３］。如今，硬盘驱动器中的大多数读取头都是采用ｃＰｐ结构来实

?第一章绪论???ｉ??（ａ）??．．．．．．．．．．?＾?＾?＾?＾：－??１??＿／??（ｂ）?＾｜｜Ｋ．??ｉ?－?－ｉ??一——＊ｉ?．，…．．二——二二—ｆ??■Ｈｒ??图１．２（ａ）读头中的ＣＩＰ自旋阀传感器示意图。（ｂ）读头中的ＣＰＰ自旋阀传感器示意图Ａ??１．１．２磁性隧道结??通过用绝缘层替换非磁性层，我们可以得到另一类重要的自旋电子器件：磁??性隧道结（Ｍａｇｎｅｔｉｃ?Ｔｕｎｎｅｌ?Ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ，?ＭＴＪｓ）。在磁性隧道结结构中，薄的电绝缘??层夹在两个铁磁层中间。通过在结上施加电压，电子可以从一个铁磁层通过绝缘??层隧穿到另一铁磁层。器件的电阻将取决于与隧道势垒接触的磁性层的磁化强度??的相对方向，从而产生隧道磁阻（Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ＴＭＲ）。Ｊｕｌｉ＆ｒｅ［１５：＾??１９７５年首次报道了有关ＭＴＪｓ的结果，但由于磁阻值非常小而且实验仅在低温下??测量，因此研宄人员对此并未给予太多关注。实际上，控制好薄绝缘层的生长是??ＭＴＪｓ发展的关键所在。１９９５年，Ｍｏｏｄｅｒａ等人［１６］首次通过使用氧化铝（ＡｈＯｓ）隧??道势垒在室温下获得了大于１０％的磁阻值。??３??

＊＊？??－ＣＸ２５?＿?＾?－??－０３０＞?Ｖ?１?＼??？?：?：??—〇???－＾－＾－一—?、＂?＇—￣￣Ｘｓ￣＾—????〇：１?ｖ?＂ｓ＝＾?ｙ??＜ｒ?ｉｏｄ－?／＼?ｒ＼?－??［１?＼?ＣｏＦ．／Ａ＾Ｏｊ／Ｃｏ?＿??＼?ＪＵＮＣＴＪＯＮ??５．０?－?Ｉ?１?－??２！＞－?３＝?ｊ?＇??｜?１?ｒ＊＊￣￣ｔ￣￣￣；￣￣￣－ｎｒｉｉｉｎｍ??－６００?－４００?－ａｘ＞?０?２００?４００?６００??Ｈ?（Ｏａ）??图１．３在２９５Ｋ时，ＣｏＦｅ／Ａｌ２０３／Ｃｏ结电阻，ＣｏＦｅ膜电阻和Ｃｏ膜电阻与平行于薄膜平面??的磁场强度Ｈ的关系曲线［１６］。??Ｊｕｌｉ把的模型是基于费米能级自旋极化的概念，定义为：??ｐ???＾Ｍ，ｉ?＾ｍ，ｉ??＇＝Ｎｍ?＋?Ｎｍｉｉ??其中和＾Ｖｉ分别是自旋多子和自旋少子的电极编号ｚ？的态密度。??对于ＴＭＲ而言，该假设考虑了两个传导通道，每个传导通道与一个自旋方??向相关联，隧穿过程中自旋得以保留。得益于费米黄金定律，并考虑到施加的电??压低并且温度低，每个自旋通道的电导与势垒两侧的态密度乘积成正比。总电导??即是两个自旋通道的电导之和，平行结构和反平行结构中的总电导是不同的。如??图１．４所示的铁磁电极的简化能带结构，总电导可以表示为：??ｇｐ?＝?ｗＭ１ｙｖＭ２?＋?ｙｖｍｌ；ｖｍ２，平行结构??心／＾＾…＾?＋?＾…＾反平行结构??隧道磁阻的定义如下：??ＴＭＲ?￣￣?Ｒａｐ￣Ｒｐ?—?Ｇｐ￣〇ＡＰ?—?２ｐｉｐ２??ＲＰ?ＧＡＰ?ＵｌＰ２??１９８９年，Ｓｌｏｎｃｚｅｗｓｋｉ提出了一个分析模型，该模型的隧道极
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本文编号：2866496