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Fe_3O_4基异质结的微观结构、磁性和输运性质

作　者: 张乐陶
导　师: 白海力
学　校: 天津大学
专　业: 材料物理与化学
关键词: 异质结 磁输运性质 磁电阻 界面 自旋极化率
分类号: TN304.21
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


半金属-半导体异质结在自旋注入、p-n结以及磁随机存储中具有潜在的应用价值。近些年来,Fe3O4作为一种高居里温度,制备简单的半金属材料受到人们的广泛关注,而硅是现代工业生产中技术最成熟、应用最广泛的半导体材料;因此,由这两类材料组成的异质结在自旋电子学领域具有重要的研究价值。另一方面,半金属-半导体异质结的磁电阻常与半金属本征的磁电阻符号相反;异质结产生磁电阻的原因很多,包括双电流模型、界面、空间电荷效应等。引起Fe3O4基异质结磁电阻的原因有多种,因此我们在单晶Si基底上制备了Fe3O4薄膜并改变势垒材料,以研究势垒材料对异质结磁输运特性的影响。我们用直流反应磁控溅射以及射频磁控溅射法制备了Fe3O4、MgO基的Fe3O4/MgO、Fe3O4/MgO/Fe3O4异质结以及Fe3O4、Si基的Fe3O4/Si、Fe3O4/MgO/Si、Fe3O4/SiO2/Si、Fe3O4/MgO/SiO2/Si异质结,对其微观结构、界面成份、磁性及输运特性进行了系统研究。Fe3O4/MgO、Fe3O4/MgO/Fe3O4异质结的I-V曲线呈显著的非线性,并且没有整流效应,样品在低偏压时的导电机制为隧穿,高偏压时为热离子发射/扩散;磁电阻在～120 K时出现极值,并且和偏压有关,这种磁电阻与Fe3O4本征的磁电阻有关。Fe3O4/barrier/Si异质结的输运特性与势垒材料有关。Fe3O4/Si和Fe3O4/SiO2/Si异质结的磁电阻为正值,而Fe3O4/MgO（3 nm）/Si异质结的磁电阻为负值。负磁电阻与Verwey转变相关,在～120 K处会出现极值,而正磁电阻与Verwey转变无关。Fe3O4/barrier/Si异质结的磁电阻在电流很小时几乎为零,并随着电流的增大逐渐达到饱和。磁电阻随磁场不呈线性变化,随着磁场增大,磁电阻随磁场的增大率逐渐减小。Fe3O4/barrier/Si异质结的磁输运特性主要由界面处Fe3O4的自旋极化率决定,当Fe3O4界面处的自旋极化率与Fe3O4薄膜内部相同时,出现负磁电阻,当Fe3O4界面处的自旋极化率与Fe3O4薄膜内部不同时,出现正磁电阻。

全文目录


中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章 前言  8-26
  1.1 自旋电子学  8-13
    1.1.1 自旋注入  9-10
    1.1.2 自旋检测  10
    1.1.3 半金属  10-11
    1.1.4 以MgO 为势垒层的磁性隧道结  11-13
  1.2 半金属 Fe_30_4 薄膜的研究现状  13-19
    1.2.1 半金属Fe_30_4 薄膜的重要性质  13-16
    1.2.2 半金属 Fe_30_4 的能带结构  16
    1.2.3 半金属 Fe_30_4 的自旋极化率  16-18
    1.2.4 半金属Fe_30_4 的Verwey 转变  18-19
  1.3 基于Fe_30_4薄膜的异质结  19-24
    1.3.1 异质结的主要导电机制  19-21
    1.3.2 Ziese 双电流模型  21
    1.3.3 常见的基于Fe_30_4的异质结  21-24
  1.4 本论文工作  24-26
第二章 样品的制备、结构表征和物性测量  26-33
  2.1 对向靶磁控溅射原理  26-27
  2.2 Fe_30_4 薄膜、MgO 薄膜及其异质结的制备  27-30
    2.2.1 Fe_30_4 薄膜的制备  28-29
    2.2.2 MgO 薄膜的制备  29
    2.2.3 异质结的制备及测量结构设计  29-30
  2.3 样品的成份、结构表征、磁性和输运特性测量  30-33
第三章 Fe_30_4 和MgO 的异质结的纵向输运特性  33-47
  3.1 多晶Fe_30_4 薄膜的微观结、成份和磁性  33-35
  3.2 MgO 薄膜的微观结构、成份分析  35-37
  3.3 Fe_30_4/MgO异质结的输运特性  37-42
  3.4 Fe_30_4/MgO/Fe_30_4 异质结的输运特性  42-45
  3.5 本章小结  45-47
第四章 Fe_30_4/barrier/Si 异质结的纵向输运特性  47-74
  4.1 Fe_30_4/barrier/Si 异质结的微观结构  47-48
  4.2 Fe_30_4/barrier/Si 异质结的成份分析  48-54
  4.3 Fe_30_4/barrier/Si 异质结的表面形貌与磁性  54-56
  4.4 Fe_30_4/barrier/Si 异质结的输运特性  56-71
    4.4.1 Fe_30_4/barrier/Si 异质结的输运特性  57-68
      4.4.1.1 Fe_30_4/Si 异质结的输运特性  57-62
      4.4.1.2 Fe_30_4/Si0_2/Si 异质结的输运特性  62-65
      4.4.1.3 Fe_30_4/MgO/Si 异质结的输运特性  65-68
      4.4.1.4 Fe_30_4/MgO/Si0_2/Si 异质结的输运特性  68
    4.4.2 不同MgO势垒层厚度异质结的输运特性  68-71
  4.5 Fe_30_4/barrier/Si 异质结的磁电阻  71-73
  4.6 本章小结  73-74
第五章 结论  74-75
参考文献  75-82
攻读硕士学位期间完成的学术论文  82-83
致谢  83

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 半导体技术 > 一般性问题 > 材料 > 化合物半导体 > 氧化物半导体
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