本文主要研究内容
作者蔡立（2019）在《单晶过渡金属氧化物薄膜及异质结的磁性和电输运研究》一文中研究指出：自旋电子学(Spintronics)是希望同时利用电子自旋和电荷的属性,获得新奇的磁学或者电学性质的一门新兴学科。自1988年巨磁电阻效应(Giant magnetoresistance,GMR)发现以来,自旋电子学因为在信息存储、计算、通信、生物神经网络模拟、能量转换和高灵敏度传感器等领域的广泛应用前景获得越来越多的关注。三十年来科研工作者们利用先进的制备技术、精细的微纳加工工艺和灵敏的测量表征方法,在多种多样的材料体系中开展自旋电子学的应用研究。其中,过渡金属氧化物材料具有丰富的物理性质和强的自旋、轨道、晶格耦合强度,为自旋电子学应用研究提供了理想的平台。例如,过渡金属氧化物中有可用于交换偏置效应的反铁磁材料、用于自旋泵浦的铁磁绝缘体材料、具有重要商业价值的高温超导材料、具有庞磁电阻效应的钙钛矿锰氧化物材料、与半导体工艺相结合的磁性半导体材料和同时具有铁电和铁磁特性的多铁材料等。而且这些过渡金属氧化物材料及其异质结构在磁电阻、自旋泵浦、金属绝缘体转变和超导等领域展现出许多新奇的电学或磁学性质,获得广泛的关注。近年来,氧化物反铁磁材料的研究取得突破性进展。氧化物反铁磁体不仅本身具有太赫兹的高频特性,而且氧化物反铁磁材料的异质结构在交换偏置(Exchange bias)、反铁磁交换弹簧效应(Antiferromagnetic exchange spring effect)、隧穿各向异性磁电阻(Tunneling anisotropic magnetoresistance)以及自旋流注入等多个方面展现出优异的特性。理论和实验的研究成果使科研工作者们认识到合理地使用和调控反铁磁结构可以拓展反铁磁材料的功能,例如构建未补偿的磁性表面,引入局域的导电通道,调制材料的自旋轨道耦合强度,操纵反铁磁体的磁矩取向以及光诱导磁振子的激发和关闭等等。本论文选择过渡金属反铁磁氧化物CoO作为研究对象,基于以下三方面原因:一、CoO体材料具有高的磁晶各向异性和实验上易于接近的奈尔温度(～293 K);二、CoO单晶具有NaCl型面心立方结构和共线的自旋排布;三、CoO(111)面不仅是极性面(表面只有阳离子或者阴离子),而且具有未补偿的自旋。因此,CoO(111)单晶是研究反铁磁的磁矩和调控的理想材料。然而目前为止,鲜有关于高质量的单晶CoO(111)的反铁磁性调控的实验报道。基于此现状,本论文不仅探索了高质量的CoO(111)单晶薄膜的制备工艺,而且通过元素掺杂和超晶格构建两种方式分别研究了Zn掺杂CoO(ZnxCo1-xO,0≤x≤0.24)对反铁磁序的调控和[Co/CoO]n超晶格对薄膜磁性和电输运性质的影响。本论文研究的另一种材料体系是氧化物磁性半导体材料。磁性半导体材料备受关注的主要原因是它有望将现代信息技术的两个主要特性——半导体器件的逻辑性和存储器件的磁性——结合在同一种材料中。科研工作者致力于将具有高居里温度、高饱和磁化强度的磁性半导体集成到利用电荷和自旋来承载数据信息的半导体自旋电子器件中。在磁性半导体的研究历程中,不同的课题组进行了大量的探索,但是实验上得到的各种磁性半导体材料(如GaMnAs、MnGe、CoTiO等)的性质不尽如人意。这些材料或者缺乏高的居里温度、高的饱和磁化强度,或者其室温铁磁性来自于非本征的磁性杂质相,这都阻碍了磁性半导体在自旋电子器件方面的应用。目前,具有高过渡金属含量的、高质量的单晶磁性半导体仍是科研工作者们努力的目标之一。为此目的,我们选择四元的具有面心立方结构(fcc)的Cox(MgyZn1-y)1-xO1-v单晶薄膜作为研究对象。这是因为三元的MgxZn1-xO材料的晶体结构会随Mg掺杂浓度的升高从ZnO基的六方结构向MgO基的面心立方结构演变,而且CoxMg1-xO是一种组分可在0%～100%比例范围调整的具有fcc结构的材料。因此,四元的fcc-Cox(MgyZn1-y)1-xO1-v材料体系为解决过渡金属在半导体中的低溶解度问题提供有效的平台。本论文将重点介绍高掺杂Cox(MgyZn1-y)1-xO1-v(x=0.5)单晶薄膜的磁性以及组分和氧空位浓度对磁性的调控。本论文的工作包括以下三个方面的内容:一、Zn掺杂CoO(111)单晶薄膜的制备及反铁磁性的调控。我们以热蒸发的纯金属Zn和Co在氧等离子体气氛中氧化的方式,利用分子束外延技术制备了高质量的单晶外延ZnxCo1-xO(111)薄膜,并研究了不同Zn掺杂浓度(0%～24%)对CoO(111)反铁磁结构的影响。一方面,通过Co/ZnxCo1-xO异质结的交换偏置效应表征了ZnxCo1-xO薄膜的反铁磁性。实验结果显示,Co/ZnxCo1-xO异质结的交换偏置场随着Zn组分的增加而降低。而经过氧等离子体气氛退火的ZnxCo1-xO薄膜与Co形成的异质结(标记为退火后的异质结)比制备态的Co/ZnxCo1-xO具有更大的交换偏置效应。另一方面,制备态的Zno.24Co0.760单层膜存在弱的室温铁磁信号(9.5 emu/cm3),而退火后的ZZno.24Co0.76O中铁磁信号消失,这说明制备态Zn0.24Co0.760薄膜的铁磁性源自氧空位导致的局域铁磁交换耦合作用。结合Co/ZnxCo1-xO异质结的交换偏置效应和ZnxCo1-xO单层膜的磁性结果,我们认为在高掺杂的ZnxCo1-xO单晶薄膜中存在由CoO构成的反铁磁相和由氧空位引起的铁磁相的共存。氧空位的存在不仅弱化了CoO的反铁磁交换耦合,而且增强了薄膜的铁磁交换耦合。因此,我们提供了一种通过调整掺杂比例和氧空位浓度来调控CoO单晶薄膜的反铁磁性的方法。二、[Co/CoO]n超晶格的外延制备及磁性和电输运性质。在实验上,制备由铁磁金属和反铁磁氧化物组成的超薄、单晶、外延的超晶格是极具挑战性的工作。在超晶格中,由于存在多个铁磁/反铁磁界面,体系的界面交换耦合、磁有序和电输运性质预期会被极大地调制。我们利用分子束外延技术制备了由铁磁金属Co和反铁磁氧化物CoO组成的单晶外延[Co/CoO]n超晶格。磁性测量结果显示,即使是最薄的[Co0.6/Co01.2]5超晶格,其饱和磁化强度在5 K到300 K温度区间内非常稳定,仅下降1.5%。电输运的测量结果表明,[Co/CoO]n超晶格的电阻率和反常霍尔电阻率受到Co层厚度和Co/CoO界面的影响。[Co/CoO]n超晶格材料为研究由铁磁金属和反铁磁氧化物异质结提供了新的平台。三、Cox(Mg0.55Zn0.45)1-xO1-v单晶薄膜的混合磁性相的调控。利用分子束外延技术制备了具有高Co掺杂浓度的、单晶的、面心立方的Co0.5(Mg0.55Zn0.45)1-xO1-v薄膜。磁性测量和软X射线吸收光谱的测量结果显示,Co0.5(Mg0.55Zn0.45)0.5O1-v薄膜中存在由于氧空位非均匀分布导致的铁磁相、超顺磁团簇和非磁边界三相共存的混合磁性相结构。此外,薄膜混合磁性相之间的相对强度可以通过调整制备时的氧分压和Co掺杂浓度来调控。这种磁性和带隙可同时被调控的Cox(MgyZn1-y)1-xO1-v材料有望在新型磁电调控器件方面获得的广泛应用。
Abstract
zi xuan dian zi xue (Spintronics)shi xi wang tong shi li yong dian zi zi xuan he dian he de shu xing ,huo de xin ji de ci xue huo zhe dian xue xing zhi de yi men xin xing xue ke 。zi 1988nian ju ci dian zu xiao ying (Giant magnetoresistance,GMR)fa xian yi lai ,zi xuan dian zi xue yin wei zai xin xi cun chu 、ji suan 、tong xin 、sheng wu shen jing wang lao mo ni 、neng liang zhuai huan he gao ling min du chuan gan qi deng ling yu de an fan ying yong qian jing huo de yue lai yue duo de guan zhu 。san shi nian lai ke yan gong zuo zhe men li yong xian jin de zhi bei ji shu 、jing xi de wei na jia gong gong yi he ling min de ce liang biao zheng fang fa ,zai duo chong duo yang de cai liao ti ji zhong kai zhan zi xuan dian zi xue de ying yong yan jiu 。ji zhong ,guo du jin shu yang hua wu cai liao ju you feng fu de wu li xing zhi he jiang de zi xuan 、gui dao 、jing ge ou ge jiang du ,wei zi xuan dian zi xue ying yong yan jiu di gong le li xiang de ping tai 。li ru ,guo du jin shu yang hua wu zhong you ke yong yu jiao huan pian zhi xiao ying de fan tie ci cai liao 、yong yu zi xuan beng pu de tie ci jue yuan ti cai liao 、ju you chong yao shang ye jia zhi de gao wen chao dao cai liao 、ju you pang ci dian zu xiao ying de gai tai kuang meng yang hua wu cai liao 、yu ban dao ti gong yi xiang jie ge de ci xing ban dao ti cai liao he tong shi ju you tie dian he tie ci te xing de duo tie cai liao deng 。er ju zhe xie guo du jin shu yang hua wu cai liao ji ji yi zhi jie gou zai ci dian zu 、zi xuan beng pu 、jin shu jue yuan ti zhuai bian he chao dao deng ling yu zhan xian chu hu duo xin ji de dian xue huo ci xue xing zhi ,huo de an fan de guan zhu 。jin nian lai ,yang hua wu fan tie ci cai liao de yan jiu qu de tu po xing jin zhan 。yang hua wu fan tie ci ti bu jin ben shen ju you tai he ci de gao pin te xing ,er ju yang hua wu fan tie ci cai liao de yi zhi jie gou zai jiao huan pian zhi (Exchange bias)、fan tie ci jiao huan dan huang xiao ying (Antiferromagnetic exchange spring effect)、sui chuan ge xiang yi xing ci dian zu (Tunneling anisotropic magnetoresistance)yi ji zi xuan liu zhu ru deng duo ge fang mian zhan xian chu you yi de te xing 。li lun he shi yan de yan jiu cheng guo shi ke yan gong zuo zhe men ren shi dao ge li de shi yong he diao kong fan tie ci jie gou ke yi ta zhan fan tie ci cai liao de gong neng ,li ru gou jian wei bu chang de ci xing biao mian ,yin ru ju yu de dao dian tong dao ,diao zhi cai liao de zi xuan gui dao ou ge jiang du ,cao zong fan tie ci ti de ci ju qu xiang yi ji guang you dao ci zhen zi de ji fa he guan bi deng deng 。ben lun wen shua ze guo du jin shu fan tie ci yang hua wu CoOzuo wei yan jiu dui xiang ,ji yu yi xia san fang mian yuan yin :yi 、CoOti cai liao ju you gao de ci jing ge xiang yi xing he shi yan shang yi yu jie jin de nai er wen du (～293 K);er 、CoOchan jing ju you NaClxing mian xin li fang jie gou he gong xian de zi xuan pai bu ;san 、CoO(111)mian bu jin shi ji xing mian (biao mian zhi you yang li zi huo zhe yin li zi ),er ju ju you wei bu chang de zi xuan 。yin ci ,CoO(111)chan jing shi yan jiu fan tie ci de ci ju he diao kong de li xiang cai liao 。ran er mu qian wei zhi ,xian you guan yu gao zhi liang de chan jing CoO(111)de fan tie ci xing diao kong de shi yan bao dao 。ji yu ci xian zhuang ,ben lun wen bu jin tan suo le gao zhi liang de CoO(111)chan jing bao mo de zhi bei gong yi ,er ju tong guo yuan su can za he chao jing ge gou jian liang chong fang shi fen bie yan jiu le Zncan za CoO(ZnxCo1-xO,0≤x≤0.24)dui fan tie ci xu de diao kong he [Co/CoO]nchao jing ge dui bao mo ci xing he dian shu yun xing zhi de ying xiang 。ben lun wen yan jiu de ling yi chong cai liao ti ji shi yang hua wu ci xing ban dao ti cai liao 。ci xing ban dao ti cai liao bei shou guan zhu de zhu yao yuan yin shi ta you wang jiang xian dai xin xi ji shu de liang ge zhu yao te xing ——ban dao ti qi jian de luo ji xing he cun chu qi jian de ci xing ——jie ge zai tong yi chong cai liao zhong 。ke yan gong zuo zhe zhi li yu jiang ju you gao ju li wen du 、gao bao he ci hua jiang du de ci xing ban dao ti ji cheng dao li yong dian he he zi xuan lai cheng zai shu ju xin xi de ban dao ti zi xuan dian zi qi jian zhong 。zai ci xing ban dao ti de yan jiu li cheng zhong ,bu tong de ke ti zu jin hang le da liang de tan suo ,dan shi shi yan shang de dao de ge chong ci xing ban dao ti cai liao (ru GaMnAs、MnGe、CoTiOdeng )de xing zhi bu jin ru ren yi 。zhe xie cai liao huo zhe que fa gao de ju li wen du 、gao de bao he ci hua jiang du ,huo zhe ji shi wen tie ci xing lai zi yu fei ben zheng de ci xing za zhi xiang ,zhe dou zu ai le ci xing ban dao ti zai zi xuan dian zi qi jian fang mian de ying yong 。mu qian ,ju you gao guo du jin shu han liang de 、gao zhi liang de chan jing ci xing ban dao ti reng shi ke yan gong zuo zhe men nu li de mu biao zhi yi 。wei ci mu de ,wo men shua ze si yuan de ju you mian xin li fang jie gou (fcc)de Cox(MgyZn1-y)1-xO1-vchan jing bao mo zuo wei yan jiu dui xiang 。zhe shi yin wei san yuan de MgxZn1-xOcai liao de 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jie gou de ying xiang 。yi fang mian ,tong guo Co/ZnxCo1-xOyi zhi jie de jiao huan pian zhi xiao ying biao zheng le ZnxCo1-xObao mo de fan tie ci xing 。shi yan jie guo xian shi ,Co/ZnxCo1-xOyi zhi jie de jiao huan pian zhi chang sui zhao Znzu fen de zeng jia er jiang di 。er jing guo yang deng li zi ti qi fen tui huo de ZnxCo1-xObao mo yu Coxing cheng de yi zhi jie (biao ji wei tui huo hou de yi zhi jie )bi zhi bei tai de Co/ZnxCo1-xOju you geng da de jiao huan pian zhi xiao ying 。ling yi fang mian ,zhi bei tai de Zno.24Co0.760chan ceng mo cun zai ruo de shi wen tie ci xin hao (9.5 emu/cm3),er tui huo hou de ZZno.24Co0.76Ozhong tie ci xin hao xiao shi ,zhe shui ming zhi bei tai Zn0.24Co0.760bao mo de tie ci xing yuan zi yang kong wei dao zhi de ju yu tie ci jiao huan ou ge zuo yong 。jie ge Co/ZnxCo1-xOyi zhi jie de jiao huan pian zhi xiao ying he ZnxCo1-xOchan ceng mo de ci xing jie guo ,wo men ren wei zai gao can za de ZnxCo1-xOchan jing bao mo zhong cun zai you CoOgou cheng de fan tie ci xiang he you yang kong wei yin qi de tie ci xiang de gong cun 。yang kong wei de cun zai bu jin ruo hua le CoOde fan tie ci jiao huan ou ge ,er ju zeng jiang le bao mo de tie ci jiao huan ou ge 。yin ci ,wo men di gong le yi chong tong guo diao zheng can za bi li he yang kong wei nong du lai diao kong CoOchan jing bao mo de fan tie ci xing de fang fa 。er 、[Co/CoO]nchao jing ge de wai yan zhi bei ji ci xing he dian shu yun xing zhi 。zai shi yan shang ,zhi bei you tie ci jin shu he fan tie ci yang hua wu zu cheng de chao bao 、chan jing 、wai yan de chao jing ge shi ji ju tiao zhan xing de gong zuo 。zai chao jing ge zhong ,you yu cun zai duo ge tie ci /fan tie ci jie mian ,ti ji de jie mian jiao huan ou ge 、ci you xu he dian shu yun xing zhi yu ji hui bei ji da de diao zhi 。wo men li yong fen zi shu wai yan ji shu zhi bei le you tie ci jin shu Cohe fan tie ci yang hua wu CoOzu cheng de chan jing wai yan [Co/CoO]nchao jing ge 。ci xing ce liang jie guo xian shi ,ji shi shi zui bao de [Co0.6/Co01.2]5chao jing ge ,ji bao he ci hua jiang du zai 5 Kdao 300 Kwen du ou jian nei fei chang wen ding ,jin xia jiang 1.5%。dian shu yun de ce liang jie guo biao ming ,[Co/CoO]nchao jing ge de dian zu lv he fan chang huo er dian zu lv shou dao Coceng hou du he Co/CoOjie mian de ying xiang 。[Co/CoO]nchao jing ge cai liao wei yan jiu you tie ci jin shu he fan tie ci yang hua wu yi zhi jie di gong le xin de ping tai 。san 、Cox(Mg0.55Zn0.45)1-xO1-vchan jing bao mo de hun ge ci xing xiang de diao kong 。li yong fen zi shu wai yan ji shu zhi bei le ju you gao Cocan za nong du de 、chan jing de 、mian xin li fang de Co0.5(Mg0.55Zn0.45)1-xO1-vbao mo 。ci xing ce liang he ruan Xshe xian xi shou guang pu de ce liang jie guo xian shi ,Co0.5(Mg0.55Zn0.45)0.5O1-vbao mo zhong cun zai you yu yang kong wei fei jun yun fen bu dao zhi de tie ci xiang 、chao shun ci tuan cu he fei ci bian jie san xiang gong cun de hun ge ci xing xiang jie gou 。ci wai ,bao mo hun ge ci xing xiang zhi jian de xiang dui jiang du ke yi tong guo diao zheng zhi bei shi de yang fen ya he Cocan za nong du lai diao kong 。zhe chong ci xing he dai xi ke tong shi bei diao kong de Cox(MgyZn1-y)1-xO1-vcai liao you wang zai xin xing ci dian diao kong qi jian fang mian huo de de an fan ying yong 。
论文参考文献
论文详细介绍
论文作者分别是来自山东大学的蔡立，发表于刊物山东大学2019-07-16论文，是一篇关于过渡金属氧化物论文,单晶外延论文,异质结论文,磁性论文,反铁磁论文,电输运论文,山东大学2019-07-16论文的文章。本文可供学术参考使用，各位学者可以免费参考阅读下载，文章观点不代表本站观点，资料来自山东大学2019-07-16论文网站，若本站收录的文献无意侵犯了您的著作版权，请联系我们删除。
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