【摘 要】
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随着信息技术革命的深入和大规模集成电路的发展进入瓶颈期,自旋电子学器件以其独特的电子自旋自由度、与现有半导体工艺的良好兼容性、低功耗、热稳定和较高的信噪比等优势,被越来越广泛地关注,被认为是最有可能打破摩尔定律限制的高新科技产业,如何在这些器件中调控自旋,也成为目前人们广泛研究的热点方向。本论文中,我们以“基于纳米环状磁性隧道的器件和n-Si半导体中自旋流输运的研究”作为研究课题,充分结合目前基于
【机 构】
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中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
【出 处】
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中国科学院大学(中国科学院物理研究所)
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随着信息技术革命的深入和大规模集成电路的发展进入瓶颈期,自旋电子学器件以其独特的电子自旋自由度、与现有半导体工艺的良好兼容性、低功耗、热稳定和较高的信噪比等优势,被越来越广泛地关注,被认为是最有可能打破摩尔定律限制的高新科技产业,如何在这些器件中调控自旋,也成为目前人们广泛研究的热点方向。本论文中,我们以“基于纳米环状磁性隧道的器件和n-Si半导体中自旋流输运的研究”作为研究课题,充分结合目前基于磁性隧道结的自旋电子学器件发展和磁性多层膜中自旋流的探测方面的研究,寻求和探索调控电子自旋的新途径。本论文主要分为三个部分:（1）基于核心结构为CoFeB/MgO/CoFeB的磁性多层膜,制备了百纳米量级的环形磁性隧道结,通过在零磁场下垂直通入直流电流,利用自旋阀中的自旋转移力矩效应,实现隧道结自由层磁矩的翻转,并以此作为纯电流调控的第二代磁性随机存取存储器的原型器件;并通过提高电流幅度,观察到自由层磁矩的随机回跳现象,以此提出基于纳米环形隧道结的真物理随机数发生器。（2）将上述纳米环状磁性隧道结集成于共面波导电极中,通过向其中通入GHz频段的交变微波电流,探测其铁磁共振效应。我们发现,在仅有自由层磁矩发生稳恒进动的情况下,给定磁场下,会同时观测到相互独立类声学支和类光学支的进动模式,并从微磁学模拟和定量化的受限体系自旋波驻波理论角度,分别对该现象进行了解释,认为是环状隧道结的内外壁的存在,对环内磁矩进动形成的自旋波的传播产生了限制,形成了自旋波驻波,根据波节数的不同,产生了同相位共振和反相位共振。基于此,我们提出了双模式微波探测器,与现有的基于隧道结铁磁共振现象的单模式微波探测器相比,给定磁场下可以探测到两种不同频率的微波注入,从而使探测效率获得极大提高。（3）基于一种全新的硅片键合技术,我们解决了无法通过传统的沉积手段生长硅薄膜的壁垒,制备了CoFeB/MgO/n-Si/Pt的垂直结构,成功将负型掺杂的n-Si插层插入铁磁层Co Fe B和重金属层Pt之间,通过在Co Fe B中激发铁磁共振,根据自旋泵浦理论,使其向n-Si中泵浦纯自旋流,并利用Pt中的逆自旋霍尔效应加以探测,从而真正探究到n-Si中的纯自旋流扩散长度在不受表面散射影响的情况下,约为2.0μm,这较先前报道中水平结构中探测到的数值增大了一倍。该研究对以后半导体中的自旋流扩散的研究具有重要的指导意义。
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