【摘要】：電子信息時(shí)代,電子材料日新月異,器件推陳出新。電子器件速度快、能耗低、體積小等特性成為研究追求的目標(biāo)。然而當(dāng)晶體管尺寸進(jìn)一步減小,電流產(chǎn)生的熱耗散問題難以解決,量子隧穿效應(yīng)開始顯著,摩爾定律逐漸失效。利用電子的另一屬性——自旋有望解決熱耗散和漏電的難題,實(shí)現(xiàn)新型高速、低功耗、非易失晶體管。本論文主要研究對(duì)象是拓?fù)浣^緣體的自旋閥及磁傳感新原理器件。我們聚焦于拓?fù)浣^緣體表面態(tài)的自旋動(dòng)量鎖定,研究其在自旋電子學(xué)中的自旋電學(xué)器件應(yīng)用。選取拓?fù)浣^緣體的原因在于一下幾點(diǎn):拓?fù)浣^緣體有著高遷移率,低功耗,背散射幾率小等基本性質(zhì),在電學(xué)上具有一定的應(yīng)用前景。而且拓?fù)浣^緣體是類似于石墨烯層狀材料,我們可以降低它的維度,來滿足器件日漸小型化的需求。另外拓?fù)浣^緣體表面態(tài)獨(dú)特的自旋性質(zhì)——自旋動(dòng)量鎖定,有望實(shí)現(xiàn)對(duì)傳統(tǒng)鐵磁性材料的顛覆。傳統(tǒng)的鐵磁性材料需要磁場(chǎng)來實(shí)現(xiàn)自旋極化,而在拓?fù)浣^緣體中自旋極化完全是電學(xué)實(shí)現(xiàn)的。這使得拓?fù)浣^緣體更適用于大規(guī)模電學(xué)邏輯電路的應(yīng)用。主論文主要介紹了拓?fù)浣^緣體中表面態(tài)基本磁輸運(yùn)性質(zhì)、拓?fù)浣^緣體自旋閥器件,拓?fù)浣^緣體相變體系的輸運(yùn)研究及這些器件在磁傳感中潛在的應(yīng)用。本論文研究成果可總結(jié)為如下三個(gè)部分:(1)基于BiSbTeSe_2拓?fù)浣^緣體的新型自旋閥晶體管。高遷移率的拓?fù)浣^緣體樣品BiSbTeSe_2(～4039 cm2V-1s-1)是實(shí)現(xiàn)新型自旋閥器件中電流開關(guān)功能的基本保障。在拓?fù)浣^緣體自旋閥中,掃磁場(chǎng)以改變Ni21Fe79電極的磁化方向時(shí),我們的自旋閥晶體管的輸出表現(xiàn)出了一種明顯的臺(tái)階狀的行為。最重要的是,當(dāng)反轉(zhuǎn)直流電流的方向時(shí),開(低阻)關(guān)(高阻)狀態(tài)甚至可以切換。基于拓?fù)浣^緣體的自旋電子管晶體管,可以通過改變電流方向來切換開關(guān)狀態(tài)。因此適用在磁性傳感器和自旋邏輯電路上,并且拓?fù)浣^緣體有潛力作為創(chuàng)新的電流驅(qū)動(dòng)的自旋發(fā)電機(jī)。(2)拓?fù)浣^緣體的拓?fù)淞孔酉嘧円鹆四蹜B(tài)物理和未來器件應(yīng)用的高度關(guān)注。通過In的摻雜,在(Bi0.92In0.08)_2Se_3中實(shí)現(xiàn)了拓?fù)淞孔酉嘧?并研究了拓?fù)渑R界點(diǎn)附近的單晶輸運(yùn)特性。在低場(chǎng)(3T)下,依據(jù)洛倫茲定律,單晶的平均遷移率達(dá)到～1000cm2V-s-1,并且保持到50K。2K下,從～5T開始出現(xiàn)明顯的量子振蕩,揭示了單晶中的遷移率高達(dá)～1.4×104 cm2V-1s-1。朗道范圖中接近π的貝利相位證明了拓?fù)涞依速M(fèi)米子的存在。該特性使(Bi0.92In0.08)_2Se_3成為拓?fù)浣^緣體量子相變研究的一個(gè)合適的平臺(tái)。(3)基于x = 0.08的組分,非磁性(Bi1-xInx)_2Se_3的三維全空間矢量磁傳感原理性器件。面內(nèi)(a-b)的負(fù)磁阻呈現(xiàn)出一個(gè)啞鈴形,具有二重對(duì)稱性。垂直場(chǎng)(c)下呈現(xiàn)出大的正磁阻。2K溫度下,3個(gè)方向的磁阻比大約為-3%(a):-1%(b):300%(c)。通過對(duì)厚度和組分相關(guān)的磁傳輸測(cè)量,我們推斷在拓?fù)渑R界點(diǎn)附近,由于拓?fù)湎嘧?體的帶隙減小,上下表面耦合增強(qiáng),從而產(chǎn)生了奇異的磁電阻現(xiàn)象�，F(xiàn)象在室溫下仍然存在,因此在新型室溫自旋電子學(xué)領(lǐng)域有著潛在的應(yīng)用,例如,矢量磁力傳感器。
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TP212
【圖文】：

應(yīng)開始出現(xiàn)，摩爾定律漸漸失效［１－３］。為了應(yīng)對(duì)這些困難，人們提出了三個(gè)方向：逡逑１、發(fā)展新的材料和器件；２、構(gòu)筑新的電路架構(gòu)和封裝；３、開發(fā)新的計(jì)算范例，逡逑如圖１．１－１所示（１），總結(jié)如下［１］。逡逑Ｎｅｗ邋ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｓ邋ａｎｄ邋ｐａｃｋａｇｉｎｇ逡逑圖Ｕ－ｌ新的器件、計(jì)算和架構(gòu)［１］。逡逑自旋電子學(xué)（Ｓｐｉｎｔｒｏｎｉｃｓ），是一種新興的學(xué)科和技術(shù)。它利用電子的自旋自逡逑由度，使晶體管中除了電荷輸運(yùn)外，還另外引入電子的自旋。１９８８年巨磁阻和逡逑１９９５隧道磁電阻的發(fā)現(xiàn)，推動(dòng)了磁存儲(chǔ)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前硬盤磁頭是自旋電子逡逑１逡逑

圖１．２－２⑷電子在絕緣體中的運(yùn)動(dòng)示意圖。（ｂ）絕緣體能帶結(jié)構(gòu)圖。（ｃ）量子霍爾態(tài)中電子逡逑運(yùn)動(dòng)示意圖。（ｄ）量子霍爾態(tài)朗道能級(jí)示意圖。逡逑整數(shù)量子霍爾效應(yīng)發(fā)現(xiàn)于二維電子氣體系中，當(dāng)系統(tǒng)處于低溫和強(qiáng)磁場(chǎng)的環(huán)逡逑境下，樣品的邊緣形成導(dǎo)電的一維通道。對(duì)于整數(shù)量子霍爾效應(yīng)，電子軌道在強(qiáng)逡逑磁場(chǎng)下是一個(gè)個(gè)封閉的圓環(huán)。由于軌道的量子化，因此能級(jí)是離散的值：匕＝逡逑＋邐叫＝ｅＢ／ｍ是回旋頻率。這些分立的能級(jí)被稱為朗道能級(jí)［７］，此時(shí)逡逑材料中的電子沿著封閉的圓形軌道運(yùn)動(dòng)，如圖１．２－２所示。逡逑然而與絕緣態(tài)不同的是，量子霍爾態(tài)存在一維的導(dǎo)電邊緣態(tài)，稱為手性邊緣逡逑態(tài)。每一個(gè)邊緣的通道，載流子只按一個(gè)方向流動(dòng)，減小了損耗。量子霍爾電導(dǎo)逡逑的大小直接和樣品中邊緣的通道數(shù)關(guān)聯(lián)起來（0＾＝４），ｅ是電子電荷，Ａ是普逡逑朗克常數(shù)，因此產(chǎn)生了量子化的霍爾電導(dǎo)［４，８］。ｖ被稱為填充系數(shù)，對(duì)于整數(shù)量逡逑子霍爾效應(yīng)的話，ｖ可以取１，２，３，．．．。２００７年，Ｎｏｖｏｓｅｌｏｖ等人在二維超高遷移率逡逑的狄拉料——單層石墨烯中，在室溫下現(xiàn)了整數(shù)量子霍爾效應(yīng)９，如圖逡逑

＾和／＾隨柵壓的變化。我們可以看見量子化的霍爾平臺(tái)。插圖是狄拉克子化的朗道能級(jí)示意圖。逡逑物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)整數(shù)量子霍爾效應(yīng)歸結(jié)于體能帶非平庸的拓?fù)湫詫W(xué)上拓?fù)浞诸惖母拍蠲枋隽苏麛?shù)量子霍爾態(tài)。１９８２年，Ｔｈ

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2784992