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GaN上ε-Fe2～3N薄膜的制备及磁学性能调控研究

2020-12-08阅读(670)

GaN上ε-Fe2～3N薄膜的制备及磁学性能调控研究

论文摘要

自旋是电子除电荷与质量外的另一个基本属性,基于电子自旋的自旋电子学器件也受到研究工作者越来越多的关注。本文应用磁控溅射和高温氮化技术在半导体材料GaN上制备了铁磁性的ε-Fe23N薄膜,并对其微观结构特性、磁学调控特性进行了研究;同时,对基于Fe/Al2O3/ε-Fe23N/GaN结构的自旋阀器件基本结构也进行了初步研究。研究结果表明:应用磁控溅射在c轴取向的GaN上可以制备出高晶体质量、同为c轴取向的ε-Fe23N薄膜。更为重要的是,ε-Fe23N中的Fe:N比例随N2分压变化而变化,可以通过改变N2的分压来调控其组份和微观结构:当N2分压在0.15 Pa以下时,可以制备出质量较好的c轴取向的单相ε-Fe23N薄膜;当N2分压增加到0.25 Pa时,制备出的ε-Fe23N样品中出现了γ’’-FeN组份,此时样品的结晶质量有所下降。同时,样品表面随着ε-Fe23N中Fe:N比例降低,越来越光滑;但当γ’’-FeN组份出现后,样品表面变得相对粗糙。样品组份特性研究表明,N2分压由0.05 Pa增大0.15 Pa时,样品表面变得越来越容易被氧化;但当N2分压达到0.25 Pa时,样品表面变得相对不易被氧化,我们认为这同样是由于γ’’-FeN相的出现所导致。样品磁学性能研究表明,可以通过改变Fe:N比例来调控ε-Fe23N的磁学性能:当N2分压较低时,铁磁性的ε-Fe23N饱和磁化强度Ms随着N2分压的增加而减少;N2分压较高时,ε-Fe23N样品的居里温度低于室温,这主要是由于N离子的掺入减弱了ε-Fe23N中Fe-Fe的铁磁耦合,从而降低了饱和磁化强度与居里温度。应用高温氮化技术我们在GaN上制备了ε-Fe23N薄膜,研究结果表明其晶体质量和磁学特性均差于应用磁控溅射制备的样品。在此基础上,我们制备了Fe/Al2O3/ε-Fe23N/GaN三层自旋阀结构并对其基本结构特性进行了研究,这为我们下一步深入研究基于ε-Fe23N/GaN铁磁/半导体结构的自旋电子学器件奠定了基础。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 第一章 绪论
  •   1.1 自旋电子学简介
  •   1.2 自旋电子学材料与器件
  • 23N化合物研究现状'>  1.3 ε-Fe23N化合物研究现状
  •   1.4 论文主要研究内容
  • 第二章 薄膜样品的制备方法及其性能表征手段
  •   2.1 样品制备方法
  •     2.1.1 磁控溅射技术
  •     2.1.2 其他制备方法
  •   2.2 样品性能表征手段
  •     2.2.1 X射线衍射（XRD）
  •     2.2.2 扫描电子显微镜（SEM）
  •     2.2.3 透射电子显微镜（TEM）
  •     2.2.4 X射线光电子能谱（XPS）
  •     2.2.5 超导量子干涉仪（SQUID）
  •   2.3 本章小结
  • 23N/GaN制备及其特性研究'>第三章 ε-Fe23N/GaN制备及其特性研究
  • 23N/GaN及性能研究'>  3.1 磁控溅射制备ε-Fe23N/GaN及性能研究
  • 23N/GaN样品制备'>    3.1.1 ε-Fe23N/GaN样品制备
  • 23N/GaN样品物相结构'>    3.1.2 ε-Fe23N/GaN样品物相结构
  • 23N/GaN样品表面形貌'>    3.1.3 ε-Fe23N/GaN样品表面形貌
  • 23N/GaN样品组份特性'>    3.1.4 ε-Fe23N/GaN样品组份特性
  • 23N/GaN样品磁学特性'>    3.1.5 ε-Fe23N/GaN样品磁学特性
  • 23N/GaN以及性能研究'>  3.2 高温氮化制备ε-Fe23N/GaN以及性能研究
  • 23N对比研究'>  3.3 磁控溅射与高温氮化制备ε-Fe23N对比研究
  •   3.4 本章小结
  • 23N/GaN结构的自旋阀器件基本特性研究'>第四章 基于ε-Fe23N/GaN结构的自旋阀器件基本特性研究
  •   4.1 铁磁/绝缘体/铁磁（FM/I/FM）结构基本特性
  •   4.2 FM/I/FM结构中绝缘层制备及基本特性研究
  • 2O3/ε-Fe23N/GaN基本特性研究'>  4.3 Fe/Al2O3/ε-Fe23N/GaN基本特性研究
  •   4.4 本章小结
  • 第五章 总结与展望
  • 参考文献
  • 附录1 攻读硕士学位期间撰写的论文
  • 附录2 攻读硕士学位期间参加的科研项目
  • 致谢

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 张超

    导师: 陶志阔

    关键词: 磁控溅射,磁学性能调控,自旋阀

    来源: 南京邮电大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,工程科技Ⅱ辑

    专业: 物理学,材料科学,工业通用技术及设备

    单位: 南京邮电大学

    分类号: TB383.2;O469

    DOI: 10.27251/d.cnki.gnjdc.2019.001295

    总页数: 53

    文件大小: 4931K

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