隨著信息技術(shù)革命的深入和大規(guī)模集成電路的發(fā)展進(jìn)入瓶頸期,自旋電子學(xué)器件以其獨(dú)特的電子自旋自由度、與現(xiàn)有半導(dǎo)體工藝的良好兼容性、低功耗、熱穩(wěn)定和較高的信噪比等優(yōu)勢(shì),被越來(lái)越廣泛地關(guān)注,被認(rèn)為是最有可能打破摩爾定律限制的高新科技產(chǎn)業(yè),如何在這些器件中調(diào)控自旋,也成為目前人們廣泛研究的熱點(diǎn)方向。本論文中,我們以“基于納米環(huán)狀磁性隧道的器件和n-Si半導(dǎo)體中自旋流輸運(yùn)的研究”作為研究課題,充分結(jié)合目前基于磁性隧道結(jié)的自旋電子學(xué)器件發(fā)展和磁性多層膜中自旋流的探測(cè)方面的研究,尋求和探索調(diào)控電子自旋的新途徑。本論文主要分為三個(gè)部分:(1)基于核心結(jié)構(gòu)為CoFeB/MgO/CoFeB的磁性多層膜,制備了百納米量級(jí)的環(huán)形磁性隧道結(jié),通過(guò)在零磁場(chǎng)下垂直通入直流電流,利用自旋閥中的自旋轉(zhuǎn)移力矩效應(yīng),實(shí)現(xiàn)隧道結(jié)自由層磁矩的翻轉(zhuǎn),并以此作為純電流調(diào)控的第二代磁性隨機(jī)存取存儲(chǔ)器的原型器件;并通過(guò)提高電流幅度,觀察到自由層磁矩的隨機(jī)回跳現(xiàn)象,以此提出基于納米環(huán)形隧道結(jié)的真物理隨機(jī)數(shù)發(fā)生器。(2)將上述納米環(huán)狀磁性隧道結(jié)集成于共面波導(dǎo)電極中,通過(guò)向其中通入~GHz頻段的交變微波電流,探測(cè)其鐵磁共振效應(yīng)。我們發(fā)現(xiàn),在僅有自由層磁矩發(fā)生穩(wěn)恒進(jìn)動(dòng)的情況下,給定磁場(chǎng)下,會(huì)同時(shí)觀測(cè)到相互獨(dú)立類(lèi)聲學(xué)支和類(lèi)光學(xué)支的進(jìn)動(dòng)模式,并從微磁學(xué)模擬和定量化的受限體系自旋波駐波理論角度,分別對(duì)該現(xiàn)象進(jìn)行了解釋,認(rèn)為是環(huán)狀隧道結(jié)的內(nèi)外壁的存在,對(duì)環(huán)內(nèi)磁矩進(jìn)動(dòng)形成的自旋波的傳播產(chǎn)生了限制,形成了自旋波駐波,根據(jù)波節(jié)數(shù)的不同,產(chǎn)生了同相位共振和反相位共振�；诖�,我們提出了雙模式微波探測(cè)器,與現(xiàn)有的基于隧道結(jié)鐵磁共振現(xiàn)象的單模式微波探測(cè)器相比,給定磁場(chǎng)下可以探測(cè)到兩種不同頻率的微波注入,從而使探測(cè)效率獲得極大提高。(3)基于一種全新的硅片鍵合技術(shù),我們解決了無(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)的沉積手段生長(zhǎng)硅薄膜的壁壘,制備了CoFeB/MgO/n-Si/Pt的垂直結(jié)構(gòu),成功將負(fù)型摻雜的n-Si插層插入鐵磁層Co Fe B和重金屬層Pt之間,通過(guò)在Co Fe B中激發(fā)鐵磁共振,根據(jù)自旋泵浦理論,使其向n-Si中泵浦純自旋流,并利用Pt中的逆自旋霍爾效應(yīng)加以探測(cè),從而真正探究到n-Si中的純自旋流擴(kuò)散長(zhǎng)度在不受表面散射影響的情況下,約為2.0μm,這較先前報(bào)道中水平結(jié)構(gòu)中探測(cè)到的數(shù)值增大了一倍。該研究對(duì)以后半導(dǎo)體中的自旋流擴(kuò)散的研究具有重要的指導(dǎo)意義。
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類(lèi)】：TB383.1;TN40
【部分圖文】：

-[8]和 T. R. McGuire[9],[10]等人，從理論上對(duì) AMR 效應(yīng)進(jìn)行AMR 效應(yīng)主要來(lái)源于塊體材料內(nèi)部的自旋軌道耦合在不同而對(duì)傳導(dǎo)電子的散射不同而造成的。性塊材過(guò)渡到薄膜水平，1993 年，M.Tondra 等人的工作與塊材相比，經(jīng)分子束外延生長(zhǎng)的具有良好織構(gòu)的 500nm同晶向（如[001],[110],[111]）所測(cè)量到的 AMR 值各不相0.2%，該體系中的最大 AMR 值出現(xiàn)在[111]晶向，可達(dá) 0隨著薄膜厚度的增加而升高，當(dāng)厚度大于 500 nm 時(shí)，AMR Rijks 等人[12]隨后從理論上加以肯定。層的鐵磁薄膜來(lái)說(shuō)，AMR 的比值一般都比較小，室溫下低溫下不會(huì)超過(guò) 30%。2007 年，如圖 1-2 所示，Piotr Wi n U3As4薄膜中在 100 K 溫度下觀察到了高達(dá) 50%左右的 A驗(yàn)上觀察到的最大 AMR 值[13]。

4.2 K 溫度下，系統(tǒng)磁電阻隨 Fe(001)/Cr(001)超晶格中 Cr 層厚度和雙層膜的變化關(guān)系，其中磁場(chǎng)和電流沿[110]方向[1]。獨(dú)有偶，同年，德國(guó) Jülich 研究中心的 Peter. Grünberg 等人[2]研究r/Fe 結(jié)構(gòu)中，當(dāng)兩層鐵磁層處于反平行態(tài)排列時(shí)，層間的反鐵磁耦，因而導(dǎo)致系統(tǒng)的磁電阻有較大提升，其比值約為 1.3%，如圖 1-鐵薄膜的磁電阻僅有 0.12%左右。意到，Grünberg 對(duì)磁電阻比值的定義與 Fert 略有差別：該工作中 ) ，而 Fert 工作中， = ( ( = )) ( = )，因 Grünberg 等人的定義方法，后者的 GMR 值甚至達(dá)到了 82%，這上通用的描述 GMR 的方法。二人憑借在 GMR 領(lǐng)域開(kāi)創(chuàng)性的工作7 年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，并將基于 GMR 效應(yīng)的相關(guān)器件的研究和高度。

1-4. (a)和(b) Fe/Cr/Fe 異質(zhì)結(jié)分別沿磁化易軸和難軸利用 MOKE 測(cè)量的磁滯回線；(d) 分別對(duì)應(yīng)圖(a)和(b)的 GMR 值隨外加磁場(chǎng)的變化關(guān)系曲線[2]。隧穿磁電阻效應(yīng)和磁性隧道結(jié)上一節(jié)中我們談到兩個(gè)鐵磁層直接耦合或被其他非磁金屬層隔開(kāi)，可以GMR 效應(yīng)，那么我們將中間的非磁金屬層，替換成較薄的絕緣層，對(duì)電形成勢(shì)壘，會(huì)發(fā)生什么呢？早在 1975 年，法國(guó)國(guó)家應(yīng)用科學(xué)研究中心的lere 就提出，在制備的 Fe/Ge/Co“三明治”異質(zhì)結(jié)中，F(xiàn)e 和 Co 的磁矩處于反平行態(tài)時(shí)，其體系的電阻存在著差異，在 4.2K 的低溫下，體系的磁為 14%[23]。盡管作者當(dāng)時(shí)沒(méi)有給出明確的命名，但是這就是磁性隧道結(jié)將上述“三明治”結(jié)構(gòu)利用第二章所述的微加工的方法制作成圓形或橢圓等形狀的微米、納米尺度器件，就成了隧道結(jié)。而眾所周知，本征 Ge 材電性劣于一般半導(dǎo)體，而略優(yōu)于絕緣體，屬于常見(jiàn)的絕緣體范疇，因而
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