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随着集成电子功能器件的尺寸进入十纳米量级,能耗与集成度的矛盾愈显凸出,而电子的自旋维度开启了承载信息的全新模式,其低功耗、高速和量子化特性将迎来后微电子时代电子信息器件的全新变革。如何实现自旋电子动力学过程的有效电操控是当今科学界的前沿热点课题,是实现全自旋流功能器件和自旋微波器件的根本性技术途径。本文以磁性/非磁异质结的自旋输运和自旋动力学调控为研究课题,首先成功制备出纳米厚度的磁绝缘体钇铁石榴石(YIG)单晶外延薄膜,并就其微结构和高频磁性能做了表征;围绕着“单晶YIG/非磁”异质结的自旋动力学调控和新型自旋流输运特性开展了系统研究。其次,研究了多种纳米厚度“铁磁金属/非磁”异质结的自旋泵浦效应,提出了“反铁磁/非磁重金属/铁磁”长程动态交换偏置模型。最后,开展了铁磁/反铁磁多层膜体系的高频动力学调控研究,设计和实现了两种高频特性可调的模块化周期结构多层膜。研究工作包括以下四个方面:1、采用激光分子束外延方法成功制备软磁和高频性能优异的高质量YIG单晶薄膜,为研制低功耗自旋电子器件打下材料基础。提出了一种调控单晶YIG/Au异质结的自旋流泵浦注入效率的新方法:通过快速热处理实现对YIG/Au异质结体系自旋泵浦特性的调控,揭示了快速热处理下的Au表面形貌演变与YIG阻尼因子增强效应的重要关联,基于自旋泵浦效应获得了热处理后YIG/Au异质结增强的自旋电导率。首次研制出绝缘体单晶YIG/石墨烯自旋异质结器件:研究了这一体系的自旋动力学特性,观测到重要的YIG线宽展宽现象,基于自旋泵浦效应获得了极高的界面自旋流电导率,高达2.45×1015 cm-2。通过拉曼谱研究YIG/石墨烯异质结的应力特性,获得了YIG薄膜对石墨烯压应力诱导的2D峰的红移现象。通过应力对石墨烯Dirac点处发生自旋相关能级劈裂相关结论,给出了YIG/石墨烯异质结界面自旋流注入的解释。2、建立了YIG/(Pt,Pd)异质结的界面自旋流和自旋积聚的阀效应理论模型。通过面外磁场研究了YIG/(Pt,Pd)霍尔器件的磁电阻变化,首次获得了“自旋阀型”磁电阻曲线。研究发现:霍尔电压/自旋霍尔磁电阻变化存在电流密度相关的翻转场,基于自旋轨道等效场和自旋轨道转矩理论对结果做了分析和讨论。为排除由近磁效应导致的Pt磁性,实验在YIG/Cu/Pt结构中亦获得了典型的“自旋阀型”磁电阻曲线,证实了自旋霍尔磁电阻理论的正确性。通过研究面内正负偏置磁场对YIG/Pd体系的自旋霍尔电压曲线的影响关系,为发现磁绝缘体单晶/重金属异质结的界面自旋霍尔转矩打下了重要的实验基础。3、首次研究了重金属钌(Ru)种子层对纳米厚度NiFe薄膜的自旋动力学特性的影响。改变Ru厚度,可以大范围地调控Ni Fe薄膜的共振场和阻尼系数。通过微结构和表面表征,揭示出Ru/NiFe异质结的微结构和表面形貌与宏观特性的关系,证实阻尼增强来源于NiFe/Ru的自旋泵浦效应和微结构相关的双磁子散射双重贡献。此外,本文建立了“反铁磁/非磁重金属/铁磁”长程动态交换偏置模型,研究了IrMn/Ru/NiFe/Ru/IrMn多层膜体系的动态磁特性。实验发现非磁Ru厚度和IrMn厚度相关的共振场低场偏置现象。通过磁滞回线和角度相关FMR排除了由静态交换偏置场和静态各向异性场引起的共振场偏移,实验结果可应用于频率可调自旋微波器件。4、设计了两种交换偏置模块的堆栈结构,实现了多共振型磁谱宽频带吸收线宽的任意可调;通过LLG方程对堆栈结构的自旋动力学特性做了分析,获得了每个模块的共振场、动态各向异性场和阻尼因子。实验发现[NiFe/IrMn]N多层膜中的半钉扎层对高频磁谱的重要修饰功能;实验理论和方法可应用于微波集成电路的噪声抑制器领域。