单晶钴薄膜与多晶铋薄膜中的自旋输运研究

【摘要】随着电子学器件的不断升级换代,由于器件尺寸的不断变小而逼近量子尺度,隧穿造成的漏电与高集成度导致的发热效应成为进一步发展的本质困难。为了应对这一困难,人们开始挖掘电子自旋这一之前在器件研发中被忽略的物理量的应用潜力,试图在集成电路中用自旋流代替电子流来进行运算。以自旋的研究与调控为中心发展出了一个新兴的学科：自旋电子学。在自旋电子学研究中,自旋流与电流的相互转化是最重要的核心问题之一,因为自旋流必须实现电探测,才能与现有的集成电路进行整合。在导体或者半导体中,自旋流会由于存在自旋轨道耦合,通过能带相关的本征机制、或者散射相关的非本征机制转化为电流,利用这种效应可以较为简单地实现自旋流的探测。这种自旋流转化为电流的现象在铁磁体中表现为磁矩相关的反常霍尔效应,在非磁系统中表现为反自旋霍尔效应。我在博士期间选择了铁磁金属钴的单晶薄膜与非磁金属铋的多晶薄膜这两个体系,分别研究了反常霍尔效应与反自旋霍尔效应,具体内容如下：1.通过分子束外延的生长手段,在MgO(001)衬底的上得到fccCo(001)单晶薄膜。利用膜厚对薄膜样品的剩余电阻率进行了连续调节,研究了反常霍尔电阻率与纵向电阻的关系。发现反常霍尔效应的行为与先前单晶铁薄膜中的结果类似,确定了本征反常霍尔电导率的数值。2.通过分子束外延在MgO(111)上直接生长得到fccGo(111)单晶薄膜,并对不同厚度的样品做反常霍尔效应的输运测量。实验发现先前在Fe(001)、Co(001)体系中发现并验证的反常霍尔效应标度律,在Co(111)体系中只能对[5K,60K]温区的数据有效描述,在更高温度区间内反常霍尔电导率有系统性的偏离。这种偏离在越低厚度的样品中越显著,而且随着温度增加而增加,有可能来源于高温热激发引起的非本征效应。3.在热氧化生成Si02表面,通过高真空热蒸发制作了铁镍／铋多晶双层膜。利用微波激发铁镍层的铁磁共振对铋层进行自旋注入,同时用导线连接铋膜测量反自旋霍尔效应。通过改变铋层的厚度,得到反自旋霍尔效应电流随着铋膜增层厚而减小,并不符合理论模型的预期。我们在铁镍与铋之间假设存在一层界面层,基于三层膜模型解析计算了自旋霍尔效应电流的表达式,较好地解释了实验数据,并给出一个物理图像：在铁镍／铋的界面存在一个具有较大自旋霍尔角(-0.07)的界面层,且界面层的自旋霍尔角与铋的体材料方向相反。4.在实验室设备搭建中,设计了一台超高真空腔体,配置有9个蒸发源窗口,2个光学窗口以及另外一些扩展口,改善实验室现有设备蒸发源源数量仅为三个的限制。同时,编写了一套通过GPIB命令控制低温强磁场测量的matlab程序,在自主搭建的牛津磁铁+外接电表系统中实现了全自动的数据采集。
【作者】侯达之；
【导师】金晓峰；
【作者基本信息】复旦大学，凝聚态物理，2012，博士
【关键词】钴；铋；薄膜；反常霍尔效应；自旋霍尔效应；自旋相关散射；

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