【摘要】：電子擁有兩個(gè)內(nèi)稟屬性:電荷自由度和自旋自由度。傳統(tǒng)的電子器件是通過(guò)操控電子電荷自由度來(lái)實(shí)現(xiàn)信息的處理。然而,因?yàn)榱孔有?yīng)的存在,“摩爾定律”的失效使得基于電荷自由度的電子器件在微型化、集成化等方面出現(xiàn)了大的瓶頸。因此,人們嘗試?yán)秒娮拥淖孕杂啥葋?lái)制備新型器件。隨著對(duì)電子自旋自由度的深入研究,“自旋電子學(xué)”應(yīng)運(yùn)而生了。自旋電子學(xué)的研究目標(biāo)是探究電子自旋極化輸運(yùn)性能以及開發(fā)基于自旋電子學(xué)的功能器件。相比于傳統(tǒng)的電子器件,基于自旋電子學(xué)的器件擁有眾多優(yōu)勢(shì),包括信息處理速度快、功耗低、穩(wěn)定性好、集成度高。特別的,在磁性半導(dǎo)體材料中,載流子是擁有自旋極化特性的,因此可以同時(shí)利用電子的兩個(gè)自由度,這將可能發(fā)展出微電子器件的新功能。進(jìn)而發(fā)展出另一種信息處理技術(shù)模式,即信息的傳輸、處理和存儲(chǔ)可以通過(guò)電荷自由度和自旋自由度兩個(gè)參量來(lái)控制。另一方面,自石墨烯被證實(shí)為穩(wěn)定的二維材料以來(lái),眾多的二維材料因在電學(xué)、力學(xué)、光學(xué)以及能源等方面表現(xiàn)出獨(dú)特的性能而被廣大科研工作者所關(guān)注。近幾年來(lái)關(guān)于二維材料本征磁性的發(fā)現(xiàn)為二維材料的發(fā)展開辟了另一個(gè)新道路,使得二維材料有可能被應(yīng)用到自旋電子學(xué)器件中。但關(guān)于二維材料本征磁性的機(jī)理還有待研究,基于磁性二維材料的器件設(shè)計(jì)與制備同樣需要深入探索。本論文首先合成了二維材料CrBr3,證實(shí)了該材料本征磁性的存在。在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)和發(fā)展了基于磁性二維材料的自旋器件,并實(shí)現(xiàn)了器件性能的可控調(diào)節(jié)。本文的具體內(nèi)容總結(jié)如下:(1)通過(guò)自主搭建的管式爐成功合成了 CrBr3單晶。對(duì)單晶CrBr3樣品進(jìn)行了一系列的物性表征。XRD確認(rèn)了合成的晶體為(00l)取向的單晶。XPS、TEM和拉曼測(cè)試均證實(shí)了合成的CrBr3為單晶且沒(méi)有雜質(zhì)。通過(guò)熒光光譜的測(cè)試確定了單晶CrBr3的帶隙為1.35eV。通過(guò)磁性測(cè)試,確定了CrBr3的鐵磁性,其居里溫度為32 K,矯頑場(chǎng)約為50 Oe,飽和場(chǎng)約為8kOe。通過(guò)磁各向異性的測(cè)試表明CrBr3呈現(xiàn)出明顯的磁各向異性,易極化軸為c軸。(2)采用機(jī)械剝離和異質(zhì)結(jié)堆疊方法,成功制備了 G/CrBr3異質(zhì)結(jié)構(gòu)器件。通過(guò)對(duì)石墨烯的電輸運(yùn)性能進(jìn)行測(cè)試,我們證實(shí)了在石墨烯和鐵磁CrBr3之間存在明顯的磁近鄰效應(yīng)。石墨烯中反�；魻柗至康某霈F(xiàn)證明了磁近鄰效應(yīng)在石墨烯中引入了鐵磁性。且隨著溫度的升高,磁近鄰效應(yīng)逐漸減弱。但高于CrBr3居里溫度以上仍可以觀察到反常霍爾分量是因?yàn)槭┖虲rBr3之間存在釘扎效應(yīng)。當(dāng)施加的磁場(chǎng)方向平行于電流方向時(shí),石墨烯中仍可以觀察到反�；魻柗至�,且出現(xiàn)了明顯的負(fù)磁阻。證明了在石墨烯中確實(shí)存在自旋極化載流子。另外,單獨(dú)石墨烯的測(cè)試,排除了雙載流子模型的影響。最終確定了通過(guò)磁近鄰效應(yīng)誘導(dǎo)了鐵磁性石墨烯。該器件的建立為將來(lái)構(gòu)建二維自旋電子學(xué)器件奠定了基礎(chǔ)。(3)制備了基于CrBr3的鐵磁隧穿結(jié)。研究了該隧穿結(jié)對(duì)磁場(chǎng)的依賴關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)隨著磁場(chǎng)的變化,隧穿電阻會(huì)出現(xiàn)平臺(tái)效應(yīng)。這種電阻的平臺(tái)是因?yàn)樵诖艌?chǎng)的作用下,電子譜以量子化的形式進(jìn)入朗道能級(jí)�；贑rBr3的鐵磁隧穿結(jié)存在磁輔助的隧穿機(jī)制。具體的隧穿機(jī)制是如何影響隧穿過(guò)程的還有待于進(jìn)一步研究。(4)制備了一種交叉結(jié)構(gòu)的石墨烯器件。該器件是通過(guò)堆疊兩個(gè)交叉石墨烯帶制備而成。該器件在電輸運(yùn)過(guò)程中存在兩種路徑,進(jìn)而導(dǎo)致器件中存在兩種電阻:面內(nèi)電阻和隧穿電阻,兩種電阻在器件中存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。通過(guò)改變器件的測(cè)試溫度,可以定量的調(diào)控兩種電阻在器件總電阻中的比例。高溫時(shí),面內(nèi)電阻占主導(dǎo),由磁場(chǎng)引入的電阻變化將導(dǎo)致整體電阻增加,從而表現(xiàn)為正磁阻。而低溫下,隧穿電阻占主導(dǎo),由磁場(chǎng)引入的電阻變化將導(dǎo)致整體電阻減小,從而表現(xiàn)為負(fù)磁阻�；诖蟠抛枳兓�,我們?cè)O(shè)計(jì)了簡(jiǎn)單的磁邏輯反相器,實(shí)現(xiàn)了器件性能的可控性。該反相器的建立為以后的磁邏輯器件設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TM271;TN03
【圖文】：

逡逑并聯(lián)關(guān)系，如圖１．１所示［３］。沒(méi)有磁場(chǎng)作用下，兩個(gè)鐵磁層的自旋方向是相反的，逡逑電子在穿過(guò)多層膜時(shí)將受到增強(qiáng)的自旋相關(guān)散射，從而表現(xiàn)出大電阻。當(dāng)多層膜逡逑處于磁場(chǎng)環(huán)境下時(shí)，兩側(cè)的鐵磁層將趨向于相同的自旋方向。在這種情況下，電逡逑子受到的來(lái)源于自旋相關(guān)的散射就會(huì)減弱，從而使得電阻降低。因此，在磁場(chǎng)有逡逑無(wú)的情況下，將使整個(gè)體系分別處于高低兩種不同的阻態(tài)。隨著ＧＭＲ效應(yīng)的深逡逑入研宄，一系列應(yīng)用前景和重要的物理機(jī)制相繼被發(fā)現(xiàn)。逡逑Ｓｐｉｎ邋ＦＭ邋ＮＭ邋ＦＭ邐Ｓｐｉｎ邋ＦＭ邋ＮＭ邋ＦＭ逡逑”邋ｆｔ逡逑啊邋Ｒｊ邐Ｒ邐Ｓｐｉｎ邋Ｒ，邐Ｒ？逡逑＾ｒ１＊——逡逑ｔ－ｆｌｉ￣￣■ｈ＇邐Ｔｈｂ——？－逡逑Ｒｆｔ邋Ｒ，＊逡逑圖１．１巨磁阻效應(yīng)示意圖。逡逑緊隨之后

ＭＲ效應(yīng)的存在使得其對(duì)角度具有高度敏感性，從而一直受到地磁導(dǎo)航等域的廣泛關(guān)注。隨著磁結(jié)構(gòu)的發(fā)展，一些新型的ＡＭＲ被制備出來(lái)，例各向異性磁電阻（ＴＡＭＲ）、彈道各向異性磁電阻（ＢＡＭＲ）等。逡逑磁電阻（ＧＭＲ）效應(yīng)逡逑正如前節(jié)所述ＧＭＲ的發(fā)現(xiàn)推動(dòng)了自旋電子學(xué)的建立和發(fā)展，因此被認(rèn)為紀(jì)最偉大的發(fā)現(xiàn)。得益于ＧＭＲ效應(yīng)，硬盤在近年來(lái)迅速實(shí)現(xiàn)了越來(lái)越高密度，從而使得硬盤的尺寸變得越來(lái)越小。與傳統(tǒng)的ＭＲ效應(yīng)不同，ＧＭ產(chǎn)生的原因主要是由于載流子在界面處不同的自旋相關(guān)散射所致［１８］。現(xiàn)認(rèn)為ＧＭＲ效應(yīng)的產(chǎn)生主要和兩類與自旋相關(guān)的散射有關(guān)：界面散射和膜。逡逑道磁電阻（ＴＭＲ）效應(yīng)逡逑ＴＭＲ效應(yīng)的產(chǎn)生是由于在隧道結(jié)構(gòu)中磁性層的加入會(huì)帶來(lái)與自旋相關(guān)的象。例如，在量子力學(xué)交換作用下３ｄ軌道中的局域電子能帶會(huì)出現(xiàn)劈裂能帶劈裂的出現(xiàn)會(huì)使得費(fèi)米面附近不同自旋方向電子的能帶密度發(fā)生變１．２所示。逡逑邐１｜邐邐ＩＩ邐逡逑

＃邋＝邋￥是載流子遷移率，％邋＝ｎ￡７ｉ是零磁場(chǎng)下電導(dǎo)率，ｎ是載流子濃度。逡逑在埃德溫霍爾最初的實(shí)驗(yàn)中，測(cè)量的是流經(jīng)樣品的橫向電流。而現(xiàn)在人們普遍用逡逑的方式是測(cè)量樣品的霍爾電場(chǎng)或橫向霍爾電壓，如圖１．３所示。逡逑Ｂ逡逑￣［／邋—邋—邋—邋—邋—邋—／逡逑￣￣￣／邋／逡逑圖１．３霍爾效應(yīng)不意圖。逡逑在實(shí)際的器件中，正�；魻栃�(yīng)主要是通過(guò)兩種方式對(duì)非磁性材料的輸運(yùn)性逡逑質(zhì)產(chǎn)生影響：一種是體系的幾何結(jié)構(gòu)或邊界條件［２２，２３］；另一種是體系的非均勻性逡逑【２ｚＷ８］。對(duì)于幾何結(jié)構(gòu)的影響而言，在霍爾條結(jié)構(gòu)中，當(dāng)Ｌ》Ｗ時(shí)，在ｙ軸方向上逡逑的電流密度為零。在穩(wěn)態(tài)情況下，由積累電荷產(chǎn)生的霍爾電場(chǎng)可以完全抵消磁場(chǎng)逡逑６逡逑

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 張欣,陸申龍;用數(shù)字式毫特儀測(cè)量鐵磁材料的磁滯回線與磁化曲線[J];實(shí)驗(yàn)室研究與探索;2001年05期

2 李斌;胡小清;周凡;孫杰;;高分辨鐵磁材料智能檢測(cè)儀的原理和功能(上)[J];混凝土與水泥制品;1987年02期

3 周志乾;李斌;;高分辨鐵磁材料智能檢測(cè)儀的原理和功能(下)——儀器的單片微機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理[J];混凝土與水泥制品;1987年03期

4 曾文光;張進(jìn)修;;立方結(jié)構(gòu)鐵磁材料中疇壁阻力函數(shù)的研究[J];中山大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);1989年01期

5 賴萍;;鐵電與鐵磁材料的比較研究[J];電子世界;2018年18期

6 方岱寧;萬(wàn)永平;馮雪;裴永茂;梁偉;仲政;蘇愛嘉;黃克智;;功能鐵磁材料的變形與斷裂的研究進(jìn)展[J];力學(xué)進(jìn)展;2006年04期

7 胡險(xiǎn)峰;漏磁通檢測(cè)中鐵磁材料的磁化狀態(tài)[J];無(wú)損檢測(cè);2001年04期

8 李都紅;張小青;李敬怡;卞華永;;一種測(cè)量鐵磁材料磁滯回線的方法及仿真[J];變壓器;2008年04期

9 臧永麗,王新民;鐵磁材料渦流損耗的定量分析[J];山東理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2003年03期

10 王治昆,趙林明;鐵磁材料磁化曲線的解析處理方法[J];大電機(jī)技術(shù);1997年05期

相關(guān)會(huì)議論文 前10條

1 方岱寧;裴永茂;馮雪;萬(wàn)永平;梁偉;;鐵磁材料的力磁耦合行為研究[A];慶祝中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)成立50周年暨中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)大會(huì)’2007論文摘要集（上）[C];2007年

2 張建偉;李桂平;王杰;;鐵磁材料疇結(jié)構(gòu)演化的相場(chǎng)模擬[A];中國(guó)力學(xué)大會(huì)——2013論文摘要集[C];2013年

3 張超;;多軸應(yīng)力下鐵磁材料力磁耦合行為的相場(chǎng)方法研究[A];中國(guó)力學(xué)大會(huì)——2013論文摘要集[C];2013年

4 王鈺言;宋成;潘峰;;基于反鐵磁材料的室溫垂直交換耦合作用和隧道各向異性磁電阻效應(yīng)[A];中國(guó)真空學(xué)會(huì)2012學(xué)術(shù)年會(huì)論文摘要集[C];2012年

5 董麗虹;徐濱士;董世運(yùn);陳群志;;鐵磁材料制造工藝對(duì)金屬磁記憶信號(hào)的影響[A];第八屆全國(guó)表面工程學(xué)術(shù)會(huì)議暨第三屆青年表面工程學(xué)術(shù)論壇論文集（二）[C];2010年

6 陳榮敏;李路明;;基于陣列霍爾元件的鐵磁材料痕跡檢測(cè)方法研究[A];北京機(jī)械工程學(xué)會(huì)2008年優(yōu)秀論文集[C];2008年

7 陳榮敏;李路明;;基于陣列霍爾元件的鐵磁材料痕跡檢測(cè)方法研究[A];第四屆十三省區(qū)市機(jī)械工程學(xué)會(huì)科技論壇暨2008海南機(jī)械科技論壇論文集[C];2008年

8 顏旭;陳易昕;李文飛;李斌;陳紹東;;人工觸發(fā)閃電剩磁測(cè)試及分析[A];第28屆中國(guó)氣象學(xué)會(huì)年會(huì)——S13雷電物理、監(jiān)測(cè)預(yù)警和防護(hù)[C];2011年

9 王杰;石以諾;;鐵磁材料中拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)的力學(xué)調(diào)控[A];2018年全國(guó)固體力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議摘要集（下）[C];2018年

10 王選章;;反鐵磁材料的線性和非線性,可能的應(yīng)用[A];第八屆中國(guó)功能材料及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議摘要[C];2013年

相關(guān)重要報(bào)紙文章 前2條

1 無(wú)錫 崔恩仲;弧底鍋巧改平底普遍適用電磁灶[N];電子報(bào);2007年

2 江蘇 崔恩仲;電磁灶用鍋有講究[N];電子報(bào);2007年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 馮超;二維鐵磁材料的制備及其自旋器件的研究[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2019年

2 陳威;鐵磁材料復(fù)雜激勵(lì)下的損耗計(jì)算方法及其電機(jī)應(yīng)用[D];浙江大學(xué);2016年

3 楊釗龍;若干非鐵磁材料的低維磁特性研究[D];蘭州大學(xué);2016年

4 邱忠超;鐵磁材料損傷磁性無(wú)損檢測(cè)若干關(guān)鍵技術(shù)研究[D];北京理工大學(xué);2016年

5 姚凱;基于金屬磁記憶法的鐵磁材料早期損傷檢測(cè)與評(píng)價(jià)的實(shí)驗(yàn)研究[D];北京交通大學(xué);2014年

6 費(fèi)翔;蠶絲蛋白調(diào)控功能性無(wú)機(jī)納米復(fù)合材料的制備[D];復(fù)旦大學(xué);2013年

7 杜永;面向變壓器工程的鐵磁材料電磁性能的模擬研究[D];河北工業(yè)大學(xué);2010年

8 李建偉;弱磁場(chǎng)下鐵磁材料磁機(jī)械效應(yīng)的理論和實(shí)驗(yàn)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2012年

9 劉碩;磁場(chǎng)數(shù)值計(jì)算中材料模型問(wèn)題的研究[D];河北工業(yè)大學(xué);2000年

10 蘇日亮;面向鋼軌軌底缺陷檢測(cè)的電磁超聲換能器研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2015年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 武云海;鐵磁材料中導(dǎo)波換能機(jī)理及傳播特性研究[D];河北工業(yè)大學(xué);2017年

2 石以諾;鐵磁材料拓?fù)浯沤Y(jié)構(gòu)的力學(xué)調(diào)控[D];浙江大學(xué);2018年

3 薛啟啟;勻質(zhì)鐵磁材料磁性損傷檢測(cè)技術(shù)研究[D];西安建筑科技大學(xué);2018年

4 霍占偉;多物理場(chǎng)耦合作用下鐵磁材料力學(xué)響應(yīng)的研究[D];吉林大學(xué);2017年

5 曹詩(shī)侯;鐵磁材料非正弦激勵(lì)下的損耗計(jì)算方法研究[D];浙江大學(xué);2017年

6 鄒連松;正弦激勵(lì)下鐵磁材料的損耗分離與預(yù)測(cè)的研究[D];華北電力大學(xué);2017年

7 梁立軍;基于電感傳感器的鐵磁材料無(wú)損分選系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D];大連理工大學(xué);2014年

8 孫曉瑩;交變磁場(chǎng)作用下裂紋加熱模型的若干關(guān)鍵因素研究[D];中國(guó)計(jì)量學(xué)院;2015年

9 郭峰;基于特征微分磁導(dǎo)率的鐵磁材料檢測(cè)方法研究[D];南昌航空大學(xué);2015年

10 王東升;基于鐵磁材料力—磁效應(yīng)的磁記憶方法檢測(cè)機(jī)理的基礎(chǔ)性研究[D];南昌航空工業(yè)學(xué)院;2006年

本文編號(hào)：2790889