Cr_2O_3基反铁磁异质结中自旋输运的研究
【国家自然科学基金】_铁磁半导体_基金支持热词逐年推荐_【万方软件创新助手】_20140802
2012年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
科研热词 稀磁半导体 铁磁性 氧空位 铁磁半导体 载流子浓度 自旋注入 第一性原理 磁性 激光脉冲沉积 氧化物稀磁半导体 掺杂 异质结构 室温铁磁性 双交换 nb掺杂tio2 mn-n共掺zno cualo2
科研热词 自旋注入 自旋极化输运 电流自旋极化率 极化子 有机自旋电子学 隧穿磁电阻 隧穿磁电导 隧穿概率 铁磁性 透射系数 自旋输运 自旋电子学 自旋极化率 自旋极化 自旋扩散漂移 自旋场效应晶体管 自旋-轨道耦合 自旋 肖特基势垒 稀磁半导体 磁电阻 磁性隧道结 电流自旋极化 电导的自旋相关性 溶胶-凝胶法 沉淀法 水热法 氟化 有机自旋注入 有机半导体 掺镍氧化锌粉体 对称双δ 势垒 密度泛函理论 反铁磁半导体 反射系数 前驱物制备 rashba自旋轨道耦合
2011年 科研热词 自旋轨道耦合 第一性原理 磁性 密度泛函理论 反铁磁半导体 zno 间隙缺陷 间隙电子掺杂 铁磁性能 铁磁性 铁基超导体 量子输运 量子点 自旋电子学 自旋流 自旋注入 自旋极化的输运 羟化 纳米线 稀土过渡金属间化合物 磁矩 磁电阻 磁性能 磁性半导体 电子键结构 电子结构计算 电子结构 添加li掺杂物 有机半导体 态密度 反铁磁半金属 半导体异质结 三元铁硒化合物 推荐指数 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
推荐指数 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
2011年 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33
有机阳离子插层调控二维反铁磁MPX_(3)磁性能
有机阳离子插层调控二维反铁磁MPX_(3)磁性能
弭孟娟;于立轩;肖寒;吕兵兵;王以林
【期刊名称】《物理学报》
【年(卷),期】2024(73)5
【摘要】电控磁效应调控二维(2D)反铁磁(AFM)材料的研究结合了电控磁效应与半导体工艺兼容且低能耗的优势,2D材料范德瓦耳斯界面便于异质集成以及AFM 材料无杂散场、抗外磁场干扰、内禀频率高的优势,成为领域内研究的重点.载流子浓度调控是电控磁效应的主要机制,已被证明是调控材料磁性能的有效途径.层内AFM材料的净磁矩为零,磁性调控测量存在挑战,故其电控磁效应研究尚少且潜在的机制尚不清楚.基于有机阳离子的多样性,本文利用有机阳离子插层系统地调控了
2D层内AFM材料MPX_(3)(M=Mn,Fe,Ni;X=S,Se)的载流子浓度,并研究了电子掺杂对其磁性能的影响.笔者在MPX_(3)家族材料中发现了依赖载流子浓度变化的AFM-亚铁磁(FIM)/铁磁(FM)的转变,并结合理论计算揭示了其调控机制.本研究为2D磁性材料的载流子调控磁相变提供了新的见解,并为研究2D磁体的电子结构与磁性之间的强相关性以及设计新型自旋电子器件开辟了一条途径.
【总页数】12页(P24-35)
【作者】弭孟娟;于立轩;肖寒;吕兵兵;王以林
【作者单位】山东大学集成电路学院
【正文语种】中文
【中图分类】TN3
【相关文献】
1.层内铁磁-层间反铁磁双层系统零温性质
2.铁磁—反铁磁—反铁磁三聚自旋链的磁化特性
3.反铁磁层厚度对垂直磁各向异性钴/铂/铁锰多层膜磁性质的影响∗
4.自旋s=1双层铁磁-反铁磁的零温磁矩
5.铁磁/反铁磁/铁磁三层膜系统中反铁磁自旋结构及其交换各向异性
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霍尔效应及其相关效应
根据之前对 n 的解释, n 不可能是分数, 因为不可能有分 数个电子同时进行弹道输运. 之前的解释不适用! 最早美国 物理学家 Laughlin 给出了一个比较令人信服的解释, 他因 此和崔琦与 Stormer 分享了1998年诺贝尔物理学奖.
将(电子+量子磁通)人为地看成一个整体, 即"混合粒子"， 这种情况下混合粒子"之间近似没有相互作用。于 n=1/3 的情形, 就是一个电子与三个量子磁通相结合成了一个"混 合粒子。这样所谓分数量子霍尔效应就是"混合粒子"的整 数量子霍尔效应。这些"混合粒子"在固体中排列成能量最 低的情形.
1988年，美国物理学家霍尔丹(F. Duncan M. Haldane)提出可能存在不 需要外磁场的量子霍尔效应，但是 多年来一直未能找到能实现这一特 殊量子效应的材料体系和具体物理 途径。 2010年，中科院物理所方忠、戴希带领的团队与张首晟 教授等合作，从理论与材料设计上取得了突破，他们提出 Cr或Fe磁性离子掺杂的Bi2Te3、Bi2Se3、Sb2Te3族拓扑绝缘 体中存在着特殊的V.Vleck铁磁交换机制，能形成稳定的铁 磁绝缘体，是实现量子反常霍尔效应的最佳体系。
在强磁场下, 导体 内部的电子受洛伦兹 ( Lorentz)力作用不断 沿着等能面转圈 (Lorentz 力不做功)。 如果导体中存在杂质, 尤其是带电荷的杂质, 物理机制 将会影响等能面的形 状。 实际上, 导体内部的电子只能在导体内部闭合的 等能面上做周期运动, 而不能参与导电。(因此在很 纯净的样品中反而观察不到量子霍尔效应!)
Quantum Quantum Integer Spin Hall Anomalous Quantum effect Hall Effect Hall Effect
反铁磁异质结
反铁磁异质结反铁磁异质结是一种特殊的材料结构，具有独特的磁性特性。
本文将介绍反铁磁异质结的定义、性质以及其在科学研究和应用领域中的重要性。
一、定义反铁磁异质结是由两种或多种具有不同磁性的材料组成的结构。
其中一种材料是反铁磁材料，具有自旋磁矩的相互排列，使得整个材料的磁矩总和为零。
另一种材料可以是铁磁材料或顺磁材料，具有自旋磁矩的相互平行排列。
二、性质1. 磁矩调控：反铁磁异质结中的反铁磁材料和铁磁材料之间的相互作用可以调控磁矩的大小和方向。
通过改变外界条件，如温度、磁场等，可以实现对磁矩的控制，从而实现磁性的调节和控制。
2. 磁阻效应：反铁磁异质结中的磁阻效应是其重要的特性之一。
磁阻效应是指在外加磁场的作用下，材料的电阻发生变化。
这种变化可以用于磁场传感器、磁存储器等领域。
3. 自旋极化：反铁磁异质结中的自旋极化效应是指在外加电流的作用下，材料的自旋极化发生变化。
这种变化可以用于自旋电子学领域，如自旋电流注入、自旋转移等。
三、科学研究和应用领域1. 磁存储器：反铁磁异质结在磁存储器领域具有广泛的应用。
通过调控反铁磁材料和铁磁材料之间的相互作用，可以实现磁存储器的高密度、高速度和低功耗等特性。
2. 磁传感器：反铁磁异质结在磁传感器领域也有重要的应用。
通过利用磁阻效应，可以实现高灵敏度、宽动态范围和低功耗的磁传感器。
3. 自旋电子学：反铁磁异质结在自旋电子学领域的应用也越来越受到关注。
通过利用自旋极化效应，可以实现自旋电流注入、自旋转移等自旋电子学器件的设计和制备。
总结：反铁磁异质结作为一种特殊的材料结构，具有独特的磁性特性。
它的磁矩调控、磁阻效应和自旋极化等性质，使得它在科学研究和应用领域中具有重要的地位。
未来，随着对反铁磁异质结的深入研究，相信它将在更多领域展现出巨大的潜力和应用价值。
磁量子结构中电子自旋极化输运性质的研究
ｌ 引 言
效 应＿ ］ ｒ ｓ ｅ 等 研究 了双磁 量 子点 结 构 中 ＿ 。Ｂ ｕ ｈ ｉ １ ｍ 的电子 自旋极 化输 运 性 质 ， 出在 双 磁量 子 点 结构 指 中可 以达到 将 近 １ ０ 的 自旋 极 化度 。Ｗ ａ ｇ等 ｌ ０ ｎ ＿ ６ 研 究 了磁 量 子点 Ｔ形排 列下 的 自旋 过 滤效 应 ， 出 指 可 以利用 Ｔ形 排 列 的 自旋 过 滤 效 应 量 子点 制作 自 旋 量子 逻 辑 门。 Ｍｉ ｏｎ ｓ ｒ ｙ等［ 研 究 了单 分 子 磁 场 ｉ ７ 一 中的 自旋极 化输 运性 质 ， 出在 对 称 系统 中只有 在 指 反平 行结 构 时 ， 自旋 反 转 才 会 发 生 ， 于 这 个 特 殊 基 现象 ， 以制作 由电流 控 制 的磁 开 关 。尽 管 对磁 量 可 子结 构 中 的 电子 自旋 输 运 的 研 究 取 得 了很 多 具 有 标志 性 的成 果 ， 但对 反 向平 行 不 等 强磁 垒 中 电 子 的
Ｇａ Ａｓ的 自 旋 极 化 度 高 出 一 个 数 量 级 。
关 键 词 ：磁 量子 结构 ； 电子 输 运 ； 自旋 极 化
中 图 分 类 号 ：Ｏ ３ ． ４ １１
文 献 标 识 码 ：Ａ
文 章 编 号 ：１ ７ 一 Ｏ １ （ ０ ７ Ｏ 一 பைடு நூலகம் ５ － ０ ６ ３ ３ ３ ２ ０ ） ６ Ｏ ９－ ５ －
自旋 极 化 输 运 的 研 究 还 不 够 深 入 ｌ １ 本 文 通 过 深 。
近年来 ， 各类 磁 调 制量 子结 构 ｌ ］ 其 中包 括 磁 ＿ ， ｊ 。
垒 、 阱 、 台 阶 、 量 子 点 及 反 点 、 量 子 线 、 量 磁 磁 磁 磁 磁
fe2o3 fe3o4 光阳极 异质结
Fe2O3和Fe3O4是两种常见的氧化铁物质，它们在许多领域都有着重要的应用。
光阳极是一种在光电化学电池中用于接收光能的电极，而异质结则是由两种不同材料组成的结构。
本文将深入探讨这些主题，并对它们的相关知识进行详细解释。
一、Fe2O3和Fe3O4的性质与应用Fe2O3，又称三氧化二铁，是一种常见的氧化铁物质，具有良好的磁性和热稳定性。
它在建筑材料、涂料、磁性材料等领域有着广泛的应用。
在太阳能电池领域，Fe2O3常被用作光阳极材料，能够有效吸收光能并将其转化为电能。
Fe3O4，又称四氧化三铁，也是一种重要的氧化铁物质。
它具有良好的磁性和导电性，在电磁材料、生物医药、磁记录材料等领域有着广泛的应用。
Fe3O4还被应用于光电化学电池的光阳极材料中，能够有效地吸收光能并将其转化为电能。
二、光阳极的结构与性能光阳极是一种在光电化学电池中用于接收光能的电极，它在太阳能转化领域具有着重要的地位。
光阳极的结构和性能对光电化学电池的效率和稳定性有着重要的影响。
常见的光阳极材料包括TiO2、Fe2O3、Fe3O4等。
光阳极的结构通常包括导电底座、光敏层、电解质等组成。
导电底座可以提供电子传输的通道，光敏层能够有效吸收光能并将其转化为电子，电解质则可以传导离子。
优秀的光阳极应具有高的光吸收率、良好的电子传输性能和稳定的化学性能。
三、异质结的特点与应用异质结是由两种不同材料组成的结构，具有许多独特的性质和应用。
在光电化学电池领域，异质结被广泛应用于提高光催化性能和光电转化效率。
常见的异质结包括n-p异质结、p-n异质结、p-i-n异质结等。
n-p异质结由n型半导体和p型半导体组成，能够有效分离光生载流子并提高对光的吸收。
p-n异质结则能够有效分离正负电荷，并提高光电转化效率。
p-i-n异质结则结合了p-n异质结和n型半导体中间层的优点，能够提高光电转化效率和稳定性。
结语：Fe2O3和Fe3O4作为重要的氧化铁材料，在光电化学电池中有着重要的应用。
多铁性材料的发展与挑战
一、多铁性材料的研究背景与现状
早在1894年P·居里就利用对称性的理论预测自然界中存在磁电效应。1960年科学家们发现了单晶Cr2O3在80 K到330 K的温度范围内存在磁电效应，由此引发了寻找磁电效应的热潮，并相继在混合钙钛矿型磁性铁电材料，反铁磁材料和亚铁磁材料中发现了极弱的磁电效应。 1970年，Aizu根据铁电、铁磁、铁弹三种性质有一系列的相似点将其归结为一类，提出了铁性材料（ferroics）的概念。1994年瑞士的 Schmid明确提出了多铁性材料（multi-ferroic）的概念，指具有两种或两种以上初级铁性体特征的单相化合物。
专家指出将组合方法用于多铁性材料的筛选有望极大地加速新型多铁性材料地发展和优化。利用国家同步辐射实验室同步辐射光源地高亮度、高准直和波长连续可调的特性，可以用来研究多铁性材料磁电耦合的机理，为新型多铁性材料的设计提供理论基础。
㈢磁介电材料及相关问题
专家指出，磁介电效应与电子铁电性及磁电效应一样，是多铁性材料的重要物理特性。在含有可变价磁性元素的复合钙钛矿与层状钙钛矿系统中，由于缺陷序、离子序、电荷序、自旋序及轨道序之间耦合导致异常的介电效应-多介电弛豫及巨介电常数台阶。磁介电效应、电子铁电性和巨介电效应的发现，给铁电物理与材料领域注入了新的活力与生机。专家特别强调了界面在材料研究中的重要性。
专家从国家及数据科技发展对高速度、高密度、高稳定性的存储设备的需求与目前主流市场的RAM的易失性、易受电磁干扰的突出矛盾出发，指明了新型的电阻型存储器（ReRAM）发展的必然趋势。列举了国际上科研机构以及公司（如三星、夏普等）在ReRAM上研究的一些进展，并且通过比较指明了我国此领域的在材料开发、器件研究、工艺摸索等方向上的研究机遇。
专家指出，8 nm BaTiO3陶瓷仍然具有铁电性，与大晶粒微米级BaTiO3陶瓷相似随温度降低存在多个低对称结构的相，但同时表现出多相共存的特点。通过对铁电BaTiO3尺寸效应的研究，启发我们可以在更小尺寸上去进行复合、耦合，从而实现各种尺寸的多铁性复合。
磁性半导体_绝缘体_磁性半导体构成的隧道结的物理性质
1.2 隧道磁致电阻（TMR）效应
在前面所提到的磁致电阻效应最早是在 Fe/Cr/Fe 三明治结构或者这种磁性多 层膜结构中观察到的， 然而, 于 1975 年, M. Julliere[7]在 Phys. Lett 上的一篇文 章里首次报导了一种所谓的隧道磁致电阻效应, 在铁磁体/绝缘层/铁磁体中, 发 现在两铁磁体磁化方向平行和反平行时隧道结的电阻存在着差异, 并给出了如 下的磁致电阻公式：
La0.67 Sr0.33 MnO3 / SrTiO3 / La0.67 Sr0.33 MnO3 组成的隧道结中发现了高达 83%的
TMR, 而且在室温下, 也有较大的 TMR。隧道磁致电阻效应也有很好的应用前 景。 隧道巨磁电阻结比较容易制成电子器件, 所需的饱和外磁场较小(几十到几 百高斯), 有着较高的室温磁电阻值, 这些都使得它能很快地投入到应用之中, 在 IBM 等公司中, 由隧道磁电阻效应制作的感应磁头和磁存储器件等已经投入了 市场。 在 FM/I/FM 隧道结中, 隧道磁致电阻效应很强烈地取决于两铁磁层的磁化 方向的排列, 这与磁性多层膜中的巨磁电阻（GMR）效应在现象上有类似之处, 都是属于自旋极化电子输运过程, 但是两者的机制是不同的。巨磁电阻效应是源 于铁磁/非磁界面和铁磁体内部的自旋相关散射过程, 而隧道磁阻效应来自于自 旋相关的隧道过程。 在 GMR 的输运过程中, 由于 s 电子的有效质量要远小于 d 电子的有效质量, 所以 s 电子在总电流中占据了主要作用，而在隧穿过程中, 由 于隧穿主要在费米面附近发生, 而 d 电子在费米面附近的电子数要远大于 s 电子 在费米面附近的电子数, 所以 d 电子对于隧穿电导也起到了重要的贡献。
1
第一章
绪论
TMR
G 2 PP G 1 PP
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Cr_2O_3基反铁磁异质结中自旋输运的研究
反铁磁自旋电子学,简单来说就是自旋电子学在反铁磁材料中的应用,这一研究方向越来越受到人们的重视,并且已经有很多新奇的自旋电子学相关现象陆
续在反铁磁材料中被发现。
Cr2O3是最早被研究的一种磁电耦合材料,而它同时也是一种G型反铁磁材料,其奈尔温度为307K,略高于室温。
虽然迄今为止关于Cr2O3在自旋电子学领域的尝试还凤毛麟角,但是其独特的反铁磁结构特征值得人们进行相关的探索和深入的研究。
本论文通过脉冲激光沉积的生长方式制备了外延的Cr2O3薄膜,在此基础上我们将其与非磁性重金属
结合,探究自旋霍尔磁电阻的信号产生机制,并与反常霍尔效应做对比,研究两者之间的内在联系。
最后,我们构筑了Cr2O3基垂直磁各向异性体系,研究了不同磁结构下的
Cr2O3对于自旋轨道力矩的影响,并且成功实现了在无外磁场辅助下的自旋轨道
力矩翻转磁性薄膜的磁化方向。
本论文的主要研究内容包括:(1)采用脉冲激光沉积的方式外延生长了(0001)取向的Cr2O3薄膜,并通过结构和磁性表征证实了
Cr2O3的反铁磁性。
此外,我们制备了Cr2O3/W异质结,通过电学测试得到了 0.1%的磁电阻比值,并且根据转角磁电阻的信号特征,排除了各向异性磁电阻的影响,证实了自旋霍
尔磁电阻在Cr2O3/W体系中的存在。
最后,通过对比不同质量的Cr2O3薄膜,研究了界面质量对于自旋霍尔磁电阻效应的影响规律。
(2)利用脉冲激光沉积和磁控溅射制备了外延的Cr2O3/Ta异质结,观察了体系的自旋霍尔磁电阻和反常霍尔效应。
通过对比两种效应随温度的变化趋势,根据二者各自的产生机理,我们认为反常霍尔效应在界面产生的自旋积累以自旋流
的形式提高了自旋霍尔磁电阻的信号。
另一方面,通过改变异质结中非磁性重金属的种类,再次证明了自旋霍尔磁电阻和反常霍尔效应之间的内在联系。
(3)利用TaOx缓冲层制备了非晶结构的Cr2O3,通过结构表征证实了非晶相的存在。
通过构建不同结构的Cr2O3与Ta的异质结,对比研究了自旋霍尔磁电阻在两种结构中的信号区别。
利用变温测试发现二者都存在不同程度的自旋霍尔磁电阻
变号现象,根据对不同磁结构Cr2O3的分析,解释了自旋流在不同磁性区域内的
竞争机制是导致外延Cr2O3异质结自旋霍尔磁电阻变号的原因;而在非晶Cr2O3异质结中,反铁磁耦合强度的变化和低温阻挫的出现是出现两次变号的来源。
(4)采用脉冲激光沉积和磁控溅射的方法制备了Cr2O3/Pt/Co/Pt异质结,通过改变衬底Al2O3的晶体取向以及插入TaOx缓冲层的方式,得到了三种不同的Cr2O3结构。
首先,利用X射线衍射测量了三种结构的晶体结构,并依此推断出Cr2O3磁矩的排布特点。
然后,通过磁性和霍尔测试对比了几种结构的垂直磁各向异性,并进行了自旋轨道力矩(spin-orbit torque,SOT)的测试,发现在(1120)方向外延的Cr2O3异质结构可以在无外磁场辅助的情况下产生70%的磁矩翻转,即零场下的SOT效应。
最后,利用谐波信号成功计算出了SOT的有效场以及有效自旋霍尔角的大小,讨论了零场SOT的信号来源。