基于反常霍尔效应的Co基自旋电子材料的研究

发布时间：2017-10-01 19:04

  本文关键词：基于反常霍尔效应的Co基自旋电子材料的研究

  更多相关文章： 反常霍尔效应 [Co/Pt]_n多层膜 磁各向异性 金属/氧化物界面

【摘要】：随着自旋电子学的高速发展,具有高自旋轨道耦合的自旋电子学材料受到了人们的普遍关注。其中Co基多层膜以其巨大的自旋轨道耦合作用和便于调控的磁各向异性,成为下一代磁随机存储单元和磁传感器的首选材料之一。目前,关于Co基多层膜中反常霍尔效应的研究工作已经开展起来并取得一些进展,但是关于这方面的研究仍然存在着亟待解决的问题。理论上,低维度下Co基多层膜中反常霍尔效应究竟是何种机制占主导地位,三种机制随着多层膜周期数变化是如何相互竞争的,这些问题都需要进一步澄清；实际应用中,Co基多层膜的反常霍尔效应偏小,这限制了基于该种材料反常霍尔效应的线性传感器和磁存储器的设计开发。因此,对这种材料的深入研究有助于我们澄清Co基多层膜体系反常霍尔效应三种机制对该物理效应的调制作用,同时开发基于反常霍尔效应的新型自旋电子学器件材料。本论文中主要利用磁控溅射系统结合综合物性测量系统等一系列表征手段对Co基多层膜中的反常霍尔效应进行研究。主要研究成果如下： 研究了MgO/[Co/Pt]3/MgO三明治结构中缺陷浓度对反常霍尔灵敏度的影响。通过在金属／氧化物界面处引入超薄非连续纳米调控层改变界面处的缺陷浓度,发现了界面缺陷浓度对反常霍尔灵敏度有着重要影响。实验结果显示界面缺陷浓度的大幅降低使得该体系中的反常霍尔灵敏度高达8363Ω/T,该指标远远超过了半导体霍尔磁场传感器的灵敏度。 研究了复合氧化物MgO/CoO对[Co/Pt]3多层膜中反常霍尔效应的影响。我们采用复合氧化物MgO/CoO包覆[Co/Pt]3多层膜使得该体系的反常霍尔效应提升67%,同时其垂直磁各向异性也得到了明显增强。微结构实验结果揭示了这与复合氧化物MgO/CoO包覆[Co/Pt]3多层膜的界面化学状态和晶体结构发生明显变化有关。复合氧化物改善了界面化学状态同时促进[Co/Pt]3多层膜晶化程度提高,导致了反常霍尔效应和垂直磁各向异性的提高。 我们设计了一种可用于3D存储器的反常霍尔效应材料,利用[Co/Pt]3多层膜和NiO调控铁磁层之间的弱耦合作用实现了人工“量子化的霍尔状态”,基于这种材料我们提出了自旋算盘的概念,这有利于实现高密度、高运算速度、非易失多进制3D存储器的设计。这种材料能够解决当前3D存储器材料读取信息过程中信息丢失的问题。 研究MgO/Co界面与Co/MgO界面对MgO/[Co/Pt]3/MgO中磁输运性质的影响。我们发现MgO/Co界面与Co/MgO界面的化学状态有明显差别,这种不同的界面化学状态通过影响该体系中的磁性,进而影响其反常霍尔效应。我们的研究揭示了这种由于生长顺序不同造成的不同界面化学状态对反常霍尔效应有着截然不同的调控作用。 研究了不同氧化物对[Co/Pt]3多层膜中反常霍尔偏转角的影响。我们在CoO/[Co/Pt]7/CoO中实现了室温下垂直磁各向异性体系中巨大的反常霍尔偏转角(5.1%),突破了关于Pt基纳米磁性薄膜反常霍尔偏转角不可能超过5%的预言和技术瓶颈。这就使得基于反常霍尔效应的逻辑存储器材料有可能可以与当前主流的半导体技术(CMOS技术)直接接驳。我们发现不同氧化物对自旋电子的散射作用不同,从而影响了反常霍尔偏转角的大小。并且Co/Pt界面数目的增加,改变了自旋电子的散射作用,从而调制了决定反常霍尔效应的三种机制的竞争关系,进而获得了巨大的反常霍尔偏转角。
【关键词】：反常霍尔效应 [Co/Pt]_n多层膜 磁各向异性 金属/氧化物界面
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：O572.322
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 1 引言11-13
• 2 自旋电子学研究进展13-37
• 2.1 自旋电子学的变革13-16
• 2.2 磁电阻的分类16-19
• 2.3 霍尔效应19-36
• 2.3.1 霍尔效应的分类19-24
• 2.3.2 反常霍尔效应的理论研究进展24-29
• 2.3.3 基于反常霍尔效应的自旋电子学材料及器件29-36
• 2.4 本论文的研究目的与内容36-37
• 3 材料制备方法与表征方法37-53
• 3.1 薄膜制备过程37-40
• 3.1.1 基片清洗37
• 3.1.2 薄膜样品制备37-40
• 3.1.3 薄膜的热处理40
• 3.2 半导体微加工过程40-44
• 3.2.1 微纳加工技术40-42
• 3.2.2 微纳加工器件基本流程42-44
• 3.3 薄膜分析测试表征方法44-53
• 3.3.1 薄膜厚度测试44-46
• 3.3.2 薄膜磁性及电输运性质的测试46-48
• 3.3.3 薄膜化学状态及成分表征48-49
• 3.3.4 薄膜微结构表征49-50
• 3.3.5 薄膜缺陷表征50-53
• 4 具有高磁场灵敏度Co基多层膜反常霍尔传感器材料的研究53-63
• 4.1 引言53-54
• 4.2 实验方法54-55
• 4.3 结果与讨论55-61
• 4.4 小结61-63
• 5 复合氧化物提高具有垂直磁各向异性[Co/Pt]_3多层膜反常霍尔效应的研究63-71
• 5.1 引言63-64
• 5.2 实验方法64
• 5.3 结果与讨论64-69
• 5.4 小结69-71
• 6 基于反常霍尔效应的3D存储器材料的研究71-79
• 6.1 引言71-72
• 6.2 实验方法72
• 6.3 结果与讨论72-78
• 6.4 小结78-79
• 7 不同界面对MgO/[Co/Pt]_3/MgO三明治结构中磁输运性能影响的研究79-89
• 7.1 引言79-80
• 7.2 实验方法80
• 7.3 结果与讨论80-87
• 7.4 小结87-89
• 8 具有高反常霍尔偏转角的Co基多层膜存储器材料的研究89-99
• 8.1 引言89-90
• 8.2 实验方法90
• 8.3 结果与讨论90-97
• 8.4 小结97-99
• 9 结论99-101
• 参考文献101-117
• 作者简历及在学研究成果117-123
• 学位论文数据集123

【参考文献】

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本文编号：955108