【摘 要】
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随着信息存储技术的快速发展,人们对电子器件提出了微型化、高速度、高密度、低功耗、非易失的要求。为了满足上述要求,研究者寄希望于自旋电子器件。自旋电子器件的核心是充分利用电子的自旋自由度,克服微纳尺度下因为量子效应以及高能耗等问题造成的电子器件性能低下的难题。电子自旋具有向上和向下两个取向,通常通过样品的磁性表现出来,其自旋取向可以作为信息处理和存储的媒介。磁电阻效应一直以来都是自旋电子学的研究热点
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随着信息存储技术的快速发展,人们对电子器件提出了微型化、高速度、高密度、低功耗、非易失的要求。为了满足上述要求,研究者寄希望于自旋电子器件。自旋电子器件的核心是充分利用电子的自旋自由度,克服微纳尺度下因为量子效应以及高能耗等问题造成的电子器件性能低下的难题。电子自旋具有向上和向下两个取向,通常通过样品的磁性表现出来,其自旋取向可以作为信息处理和存储的媒介。磁电阻效应一直以来都是自旋电子学的研究热点,早在20世纪80年代末,Albert Fert和Peter Grunberg就在[Fe/Cr]n和Fe/Cr/Fe结构中发现了巨磁电阻效应。之后,研究者又相继在Al203、Mg0磁性隧道结中,发现了隧穿磁电阻效应。与巨磁电阻效应相比,隧穿磁电阻效应有磁电阻值大、集成度高的优势,并且该效应被广泛应用在了磁随机存储器、自旋逻辑器件以及自旋纳米振荡器中。此外,利用电学的方法来调控电子自旋也是目前自旋电子学研究的热点之一,相较于传统的磁场调控,该调控方式能够更快地实现信息的写入,还能够极大地提高信息的存储密度。并且用电学方法调控电子自旋与现有的集成电路工艺兼容,因此,通过电学方式调控电子自旋不仅具有理论研究意义,也是自旋电子器件走向应用的关键。本论文围绕磁电阻效应和磁性的电学调控,开展了以下三个方面的研究:（1）Co/CoO-ZnO/Co磁性隧道结中隧穿整流磁电阻效应及其电调控的研究。我们制备了 Co/CoO-ZnO/Co非对称势垒磁性隧道结,且在该隧道结中将隧穿磁电阻效应和整流效应相结合,发现了隧穿整流磁电阻效应。隧穿整流磁电阻效应是指:在磁性隧道结两端施加一个交流电流,能够探测到整流电压,并且整流电压随外磁场的变化与电子通过非对称势垒的隧穿效应有关。此外,我们在Co/CoO-ZnO/Co磁性隧道结两端同时施加交流电流和直流电流,通过改变直流电流的大小,实现了隧穿整流磁电阻由-300%到2200%的显著变化。隧穿整流磁电阻效应的发现为人们提供了一种利用交流电流调控器件的方法,且该效应可应用于其它相似的具有非对称势垒的磁性异质结中,为多功能自旋电子器件的研发提供了一个新的途径。（2）Co/PMN-PT（001）异质结中电场调控磁性以及反常霍尔效应的研究。我们利用磁控溅射结合金属掩膜的方法制备了 ZnO/Co/PMN-PT（001）异质结。在该结构中,我们把电场作用下的应力效应和氧离子迁移效应相结合,室温下实现了电场对样品磁性以及反常霍尔效应的非易失、可逆调控。在该结构中,应力效应以及氧离子迁移效应对Co磁性的调控具有相反的效果,即在正电场的作用下,氧离子由CoO层向ZnO层迁移,使CoO由原来的绝缘态转变为铁磁金属态,Co的磁性增强,反常霍尔电阻增大;而正电场作用下的应力效应使Co的磁性减弱。负电场下,氧离子从ZnO层迁移到Co层,Co的磁性减弱,反常霍尔电阻减小,而基于应力机制的电场调控使Co的磁性增强。Co的最终磁化状态是应力效应和氧离子迁移效应竞争的结果。这种将多种电场调控机制相结合的电场调控方式为人们提供了一种优化以及增强电控磁效应的方法。（3）Pt/[Co/Pt/Co]异质结中电流驱动的磁化翻转研究。我们用磁控溅射仪制备了具有垂直磁各向异性的[Pt/Co/Pt/Co]多层膜,利用光刻、氩刻将样品制备成了宽度为5 μm的Hall bar。基于重金属Pt层的自旋霍尔效应,研究了不同外加磁场下,自旋轨道力矩作用下的磁化翻转情况。利用谐波霍尔电压测量方法表征了作用在磁畴上的类阻尼力矩的效率,对于沿+z方向和沿-z方向的磁畴,damping-like 有效场的效率分别为（13.52±0.28）Oe/（107A/cm2）和（-13.28±0.38）Oe/（107A/cm2）,Pt的有效自旋霍尔角约为0.052。利用磁光克尔显微系统观察了电流诱导的磁化翻转过程,发现该磁化翻转是磁畴成核和畴壁移动的结果。该实验验证了此前研究者的结论,为深入研究基于Pt/[Co/Pt/Co]结构的人工反铁磁器件奠定了基础。
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