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YIG/Cu界面和铁磁金属中纯自旋流相关效应的研究

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  • 【题名】:YIG/Cu界面和铁磁金属中纯自旋流相关效应的研究
  • 【年度】:2019
  • 【作者】:郝润润
  • 【关键词】:自旋流  自旋轨道耦合  铁磁金属  Rashba效应  反常霍尔效应
  • 【摘要】:近年来随着电子信息技术的迅速发展,人类对芯片的依赖日益加重,在过去的多年之中,其尺寸和集成度一直符合摩尔定律。然而,随着器件尺寸的不断减小和集成度的不断提高,量子效应的出现和功耗问题已经使半导体器件的发展接近其物理极限,摩尔定律即将失效。众所周知,电子拥有电荷和自旋两种固有属性。在以往的微电子学中,主要关注并利用了电荷属性,而随着人类对电子认识程度的加深,电子的这两种属性同时得到了有效的利用,为信息技术带来了全新的模式。巨磁电阻效应的发现为人们利用电子自旋打开了一扇全新的窗口,其由Albert Fert和Peter Grunberg独立的观察到。之后,一系列全新的具有巨大应用前景的新的效应被科学家们发现,如基于氧化物的遂穿磁电阻效应以及自旋霍尔效应等。和以往的微电子器件相比较,自旋电子器件具有更高的速度、更低的功耗以及更高的集成度。现今的电子产业中,在众多研究人员的共同努力之下,数量众多的关于电子自旋的器件的研发已经取得了重要的进展,尤其是巨磁电阻效应的应用已经为推进科技的发展做出了突出的贡献。在自旋电子学这个新兴但发展势头迅猛的学科中,纯自旋流的产生、输运、调控以及探测引起了人们极大的兴趣。自旋的输运在实现自旋电子器件的相关功能中作用十分重要,在以往的研究中,人们主要关注在导体中使用传导电子来传递电子自旋。在铁磁绝缘体中存在磁子,利用激发的磁子产生的自旋波同样可以传递自旋信息,并且在这个过程中不会产生类似金属中电子运动而引起的焦耳热,因而可以显著降低电子器件的功耗。在实现自旋电子器件功能的过程中,自旋流的产生和探测同样至关重要。在短短几年中,一系列产生纯自旋流的方法相继被发现,例如自旋霍尔效应、自旋塞贝克效应以及自旋泵浦效应等;探测自旋流最常用的手段是逆自旋霍尔效应。为了实现自旋-电荷之间高效的相互转换,寻找具有大的自旋轨道耦合的材料成为自旋电子学领域的一大研究热点。原子序数比较大的Ta、Pt以及W等非磁重金属具有很大的体自旋轨道耦合,它们在自旋电子学的相关研究中被广泛应用。铁磁金属中的反常霍尔效应以及最近观察到的大的逆自旋霍尔效应,充分表明其具有较大的体自旋轨道耦合;在铁磁金属中,电子是自旋极化的,电子在运动过程中的散射强度与自旋和磁矩的相对取向相关。因此铁磁金属中的情况比较复杂,其中基于纯自旋流的效应需要进一步去探索。此外,Rashba自旋轨道耦合也能有效地实现自旋-电荷之间的相互转换,其来源于界面结构的反演不对称。大的Rashba自旋轨道耦合通常存在于含有Bi、Pb以及W等重金属材料的体系中,而最近理论工作上预言,即使在不存在体自旋轨道耦合的非磁轻金属与氧化物的界面,其依旧存在。继续寻找新的具有大的Rashba自旋轨道耦合的材料体系,对推动自旋电子学的发展以及应用具有十分重要的意义。基于对自旋电子学领域研究现状的了解,本论文在以下四个方面进行了探索:一、在Pt/YIG/Cu多层膜样品中探究YIG/Cu界面的Rashba自旋轨道耦合。我们在Pt/YIG/Cu多层膜样品中,通过非局域电压测量探究了YIG/Cu界面的Rashba自旋轨道耦合。在测量过程中,电流的注入方向与电压的测量方向相互垂直,磁子拖拽电压与自旋塞贝克电压具有明显不同的磁场角度依赖性,因此我们能够有效地把这两者区分开。当在Cu(Pt)中注入电流时,我们在Pt(Cu)中测量到了磁子辅助的电流拖拽效应引起的电压信号;当在Cu和YIG之间插入一层超薄的Al薄膜时,该磁子拖拽电压信号消失,说明该电压信号并非来源于Cu的体自旋轨道耦合,而是来源于YIG/Cu界面Rashba自旋轨道耦合引起的逆自旋电流效应(自旋电流效应)。此外,对于Cu厚度不同的样品,当Cu中注入的电流密度不变时,Pt中测得的磁子拖拽电压的幅值与Cu的厚度无关,则进一步证实了磁子拖拽电压信号不是来源于Cu的体自旋轨道耦合。这是迄今为止第一次在没有界面修饰的YIG/Cu界面观察到Rashba自旋轨道耦合。此外,我们在一种样品结构中,分别独立地观察到了 Rashba自旋轨道耦合所引起的自旋电流效应和逆自旋电流效应。二、在Pt/YIG/Cu/FM多层膜样品中探测铁磁金属中反常霍尔效应引起的自旋积累。在Pt/YIG/Cu/FM多层膜样品中,我们探测了铁磁金属中反常霍尔效应引起的自旋积累。相比于铁磁金属中的反常霍尔效应,YIG/Cu界面Rashba自旋轨道耦合引起的自旋积累可以忽略不计。通过对比Pt/YIG/Cu/Ni和Pt/YIG/Pt样品中的电压,我们观察到反常霍尔效应引起的自旋积累与磁矩密切相关。此外,通过对比Pt/YIG/Cu/FM(Ni、Fe和NiFe)多层膜样品中的电压和单层铁磁(Ni、Fe和NiFe)样品中的反常霍尔电压,发现了铁磁金属电导率自旋极化率对反常霍尔电压的重要影响。以上实验结果表明铁磁金属可被开发为自旋产生器,其产生自旋流的大小和极化方向可受外磁场调控;我们在实验中通过探测自旋积累来研究铁磁金属中的反常霍尔效应,这为探索反常霍尔效应提供了一种新的思路。三、探究SiO2/NiFe/SiO2样品中异常的反常霍尔效应。我们发现在SiO2/NiFe/SiO2样品中,随着NiFe薄膜厚度的增加,反常霍尔电阻率的符号由负变为正,其数值最终趋于恒定。通过比较不同结构样品中的反常霍尔电阻率,我们发现NiFe/SiO2或SiO2/NiFe界面与NiFe体材料所引起的反常霍尔电阻率的符号相反,但该异常的现象并非来源于界面结构的反演不对称。对于NiFe薄膜厚度不同的Pt/YIG/Cu/NiFe/Si02样品,通过对比它们之间的磁子拖拽电压,我们确定NiFe/SiO2界面与NiFe体材料具有符号相同的平均自旋霍尔角。通过对比分析可以推断,在靠近NiFe/Si02界面处,NiFe电导率自旋极化率的符号发生了变化,进而导致界面处反常霍尔电阻率符号的改变。以上发现加深了我们对反常霍尔效应的理解和认识,并为调控反常霍尔电压提供了新的思路。四、在YIG/Cu/NiFe/IrMn多层膜样品中探究基于纯自旋流的自旋阀效应。我们通过磁控溅射结合金属掩膜的方法制备了YIG/Cu/NiFe/IrMn多层膜样品,其中NiFe/IrMn存在交换偏置耦合,因此NiFe和YIG的磁矩可以独立翻转。在该结构中,自旋泵浦引起的电压幅值依赖于NiFe的磁化状态;与NiFe磁化饱和时相比,NiFe磁化非饱和时的电压幅值明显较弱,这为我们展示了一个基于纯自旋流的自旋阀效应。通过对比分析,我们发现该自旋阀效应来源于NiFe在不同磁化状态下Cu/NiFe界面以及NiFe体材料自旋吸收的差异。此外,我们检验了该自旋阀效应的可靠性和稳定性,其能够重复且稳定地输出幅值差高达110%的电压信号。
  • 【分类号】:O469
  • 【学位名称】:博士
  • 【导师名称】:康仕寿
  • 【学位授予单位】:山东大学
  • 【学位年度】:2019
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