自旋电子器件的应力调控研究
发布时间：2021-03-30 03:47
近年来,随着自旋电子学器件在信息领域的实际应用,自旋电子学器件的构筑和调控引起人们越来越广泛的关注。应力作为一种重要的调控手段,在自旋电子器件的电学、磁学等性能的调控方面发挥着重要的作用,因此,为自旋电子器件寻找有效且稳定的应力源成为人们研究的焦点。目前,人们已经实现的能够调控自旋电子器件的应力源主要包括:利用压电材料的压电性质产生的应力,利用形状记忆合金的相变过程产生的应力,利用柔性基底的可弯折性质提供的应力,以及利用不同晶格常数的基底外延生长薄膜产生的晶格应力。通过这些方法,研究者成功地实现了对自旋电子器件性质的调控,对自旋电子学的发展起到了重要的促进作用。尽管目前人们已经实现了部分自旋电子器件的应力调控,但是调控的幅度和可逆性等仍待进一步完善,许多新的物理现象有待发现,其中蕴藏的物理机制尚待澄清。因此,本论文以应力调控为核心,采用形状记忆合金、柔性基底、压电材料、外延晶格应力这四种应力源,对巨磁电阻、垂直磁各向异性、垂直交换偏置、以及自旋轨道矩等自旋电子器件中的重要物理效应进行应力调控研究,探索应力调控的物理本质。论文的主要创新性成果包括:（1）利用形状记忆合金在相变过程中产生的...
【文章来源】：北京科技大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：136 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图２－２所示，为??Ｓｉ／ＮｉＦｅ／Ｃｕ／ＮｉＦｅ／ＦｅＭｎ／Ａｇ异质结的磁滞回线和磁电阻曲线的测试结果
?自旋电子器件的应力调控研究???为霍尔电阻率为霍尔系数，／／ｚ代表沿着面外方向磁场的大小，＆为??反常霍尔系数，乂代表磁性材料的自发磁化强度。公式（２．１）揭示了磁性材料??中，反常霍尔效应与外磁场和自发磁化强度的关系，该式适用于大部分材料??体系。??这一看似简单的物理效应却经历了很多的争论，目前有三种被人们广泛??接受的关于反常霍尔效应的机制，如图２－３所示，分别为本征机制、侧跃机??制和斜散射机制［３７］。本征机制产生反常霍尔效应是基于贝里相位（Ｂｅｒｒｙ?ｐｈａｓｅ）??提出的。如图２－３（ａ）所示，在外加电场的作用下，源于布洛赫电子带间相互??作用的贝里曲率可以在动量空间中作为赝磁场，可以贡献垂直于电场方向的??电子速度，且在铁磁体中电流和不为零。如公式尝＝?所示，??公式右边的第二项代表与贝里曲率相关的电子具有垂直于电场的速度。除了??基于贝里曲率的本征机制，人们还提出了杂质散射相关的外禀机制来解释反??常霍尔效应的来源。如图２－３（ａ）所示，Ｂｅｒｇｅｒ在１９７０年提出ｆ３８］，当存在自旋??轨道交互作用时，电子在接近或远离杂质的时候，由于受到相反电场的作用，??电子的速度会向相反的方向偏转，电子波包的质心在中心势的散射下发生不??连续和有限的侧向位移，导致横向的电荷累积和电势差，这种产生反常霍尔??效应的机制称为侧跃机制。Ｓｍｉｔｆ３９，４（）Ｈ人为反常霍尔效应的来源如图２－３（ｃ）所示，??由于自旋轨道交互作用，引起电子受到杂质产生不对称散射行为，从而形成??横向的电势差，这种机制称为斜散射机制。??ｕ．??本征机制??（ｂ）???????＇ｖＪｓ＾?侧跃机制??
流和自旋极化可用??娜Ｊｃ印来表达。是自旋流密度，乂代表电荷流密度，Ｄ服代表自旋??霍尔系数。尽管人们在理论上预测了自旋霍尔效应的存在，但是直到２１世纪??初自旋霍尔效应才被探测到［４３］。其中，阻碍自旋霍尔效应在实验中被探测到??的一个原因是无法直接获得电信号。基于自旋霍尔效应的内在机制，??Ｍｕｒａｋａｍｉ等人［４３］提出可以在半导体材料中，利用光学探测的方法探测自旋霍??尔效应。沿此思路，Ｋａｔｏ等人｜４４］在２００４使用磁光克尔效应的方法在实验中??观察到了自旋霍尔效应。如图２－４所示，Ｋａｔｏ等人在外延生长的掺杂ＧａＡｓ??薄膜中发现，当电场通入通道，磁场垂直于电场方向施加时，可以在靠近样??品边缘处观察到自旋蓄积，同时观察到克尔转角随位置而改变，从而证明了??自旋霍尔效应的存在。然而，光学测量只能定性地分析自旋霍尔效应，而且??受测量分辨率的限制，对于自旋扩散长度只有几个纳米的金属材料而言，这??种光学测量的方式显得无能为力。??｛３）?＾?？?（ｂ）?（ａ．ｕ．）?ＭｋｘｓＯｖＨｆ?｛（．ｕ．）??？２－１?０?１?２?１?２?３?４?Ｓ??—ＩＩＩ??—１１１?）??！?Ｍｂ??５０‘丨卜Ｉ丨??Ｋｅｒｒ?ｒｏｔａｔｉｏｎ?（ｐｒａｄ）?Ｉ??＇?ｉ?ｉ??＊１００＞?；??【丨丨丨丨‘?＊?■＊?▲?■?１?ｓｏ?■■?‘??■４０?＾－０?４０?完．．．．．．〇＾??ｏｓｉ?ｉｏｎ?（＞ｉｍ）?Ｐ〇＊Ｈｉｏｏ?（ｐｍ）?Ｐｏｔｉｏｎ?｛￥ｔｍ）??图２－４测量自旋霍尔效应的结构示意图以及利用磁光克尔显微镜观测到的自??旋蓄积结果１４４１??－７?－??
【参考文献】：
期刊论文
[1]光刻与微纳制造技术的研究现状及展望[J]. 周辉,杨海峰. 微纳电子技术. 2012(09)
[2]磁控溅射镀膜技术的发展[J]. 余东海,王成勇,成晓玲,宋月贤. 真空. 2009(02)
[3]原子力显微镜原理与应用技术[J]. 刘岁林,田云飞,陈红,吉晓江. 现代仪器. 2006(06)
[4]电子束曝光技术及其应用综述[J]. 王振宇,成立,祝俊,李岚. 半导体技术. 2006(06)
[5]脉冲激光沉积技术及其应用[J]. 陈传忠,包全合,姚书山,雷廷权. 激光技术. 2003(05)
[6]摩尔定律与半导体设备(续前)[J]. 翁寿松. 电子工业专用设备. 2003(01)
本文编号：3108798
【文章来源】：北京科技大学北京市 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：136 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图２－２所示，为??Ｓｉ／ＮｉＦｅ／Ｃｕ／ＮｉＦｅ／ＦｅＭｎ／Ａｇ异质结的磁滞回线和磁电阻曲线的测试结果
?自旋电子器件的应力调控研究???为霍尔电阻率为霍尔系数，／／ｚ代表沿着面外方向磁场的大小，＆为??反常霍尔系数，乂代表磁性材料的自发磁化强度。公式（２．１）揭示了磁性材料??中，反常霍尔效应与外磁场和自发磁化强度的关系，该式适用于大部分材料??体系。??这一看似简单的物理效应却经历了很多的争论，目前有三种被人们广泛??接受的关于反常霍尔效应的机制，如图２－３所示，分别为本征机制、侧跃机??制和斜散射机制［３７］。本征机制产生反常霍尔效应是基于贝里相位（Ｂｅｒｒｙ?ｐｈａｓｅ）??提出的。如图２－３（ａ）所示，在外加电场的作用下，源于布洛赫电子带间相互??作用的贝里曲率可以在动量空间中作为赝磁场，可以贡献垂直于电场方向的??电子速度，且在铁磁体中电流和不为零。如公式尝＝?所示，??公式右边的第二项代表与贝里曲率相关的电子具有垂直于电场的速度。除了??基于贝里曲率的本征机制，人们还提出了杂质散射相关的外禀机制来解释反??常霍尔效应的来源。如图２－３（ａ）所示，Ｂｅｒｇｅｒ在１９７０年提出ｆ３８］，当存在自旋??轨道交互作用时，电子在接近或远离杂质的时候，由于受到相反电场的作用，??电子的速度会向相反的方向偏转，电子波包的质心在中心势的散射下发生不??连续和有限的侧向位移，导致横向的电荷累积和电势差，这种产生反常霍尔??效应的机制称为侧跃机制。Ｓｍｉｔｆ３９，４（）Ｈ人为反常霍尔效应的来源如图２－３（ｃ）所示，??由于自旋轨道交互作用，引起电子受到杂质产生不对称散射行为，从而形成??横向的电势差，这种机制称为斜散射机制。??ｕ．??本征机制??（ｂ）???????＇ｖＪｓ＾?侧跃机制??
流和自旋极化可用??娜Ｊｃ印来表达。是自旋流密度，乂代表电荷流密度，Ｄ服代表自旋??霍尔系数。尽管人们在理论上预测了自旋霍尔效应的存在，但是直到２１世纪??初自旋霍尔效应才被探测到［４３］。其中，阻碍自旋霍尔效应在实验中被探测到??的一个原因是无法直接获得电信号。基于自旋霍尔效应的内在机制，??Ｍｕｒａｋａｍｉ等人［４３］提出可以在半导体材料中，利用光学探测的方法探测自旋霍??尔效应。沿此思路，Ｋａｔｏ等人｜４４］在２００４使用磁光克尔效应的方法在实验中??观察到了自旋霍尔效应。如图２－４所示，Ｋａｔｏ等人在外延生长的掺杂ＧａＡｓ??薄膜中发现，当电场通入通道，磁场垂直于电场方向施加时，可以在靠近样??品边缘处观察到自旋蓄积，同时观察到克尔转角随位置而改变，从而证明了??自旋霍尔效应的存在。然而，光学测量只能定性地分析自旋霍尔效应，而且??受测量分辨率的限制，对于自旋扩散长度只有几个纳米的金属材料而言，这??种光学测量的方式显得无能为力。??｛３）?＾?？?（ｂ）?（ａ．ｕ．）?ＭｋｘｓＯｖＨｆ?｛（．ｕ．）??？２－１?０?１?２?１?２?３?４?Ｓ??—ＩＩＩ??—１１１?）??！?Ｍｂ??５０‘丨卜Ｉ丨??Ｋｅｒｒ?ｒｏｔａｔｉｏｎ?（ｐｒａｄ）?Ｉ??＇?ｉ?ｉ??＊１００＞?；??【丨丨丨丨‘?＊?■＊?▲?■?１?ｓｏ?■■?‘??■４０?＾－０?４０?完．．．．．．〇＾??ｏｓｉ?ｉｏｎ?（＞ｉｍ）?Ｐ〇＊Ｈｉｏｏ?（ｐｍ）?Ｐｏｔｉｏｎ?｛￥ｔｍ）??图２－４测量自旋霍尔效应的结构示意图以及利用磁光克尔显微镜观测到的自??旋蓄积结果１４４１??－７?－??
【参考文献】：
期刊论文
[1]光刻与微纳制造技术的研究现状及展望[J]. 周辉,杨海峰. 微纳电子技术. 2012(09)
[2]磁控溅射镀膜技术的发展[J]. 余东海,王成勇,成晓玲,宋月贤. 真空. 2009(02)
[3]原子力显微镜原理与应用技术[J]. 刘岁林,田云飞,陈红,吉晓江. 现代仪器. 2006(06)
[4]电子束曝光技术及其应用综述[J]. 王振宇,成立,祝俊,李岚. 半导体技术. 2006(06)
[5]脉冲激光沉积技术及其应用[J]. 陈传忠,包全合,姚书山,雷廷权. 激光技术. 2003(05)
[6]摩尔定律与半导体设备(续前)[J]. 翁寿松. 电子工业专用设备. 2003(01)
本文编号：3108798
本文链接：https://www.wllwen.com/shoufeilunwen/xxkjbs/3108798.html
