铁磁/过渡金属双层膜体系逆自旋霍尔效应及其非易失电调控研究

论文摘要

自旋电子学,在对电子的电荷属性的应用基础上增加了对自旋属性的控制和利用。相对传统的电子器件,具有非易失性,有效降低能耗和增加存取的密度,而受到越来越多的关注。早期研究中,主要集中于自旋极化的电流。近期以来,主要关注于纯净的自旋流。相比较于自旋极化的电流,纯自旋流由于没有净的电荷移动以及没有杂散场的特点,在用于信息传递中消耗更低的能量,而受到研究者们的关注。除此之外,由于现代的信息技术产业是以电信号为基础的;因此,为了和其结合起来应用,需要将纯自旋流有效地转换成电信号。通常,纯自旋流和电荷流可以通过自旋霍尔效应和逆自旋霍尔效应进行相互转化。而其转化效率定义为自旋霍尔角,是自旋电子学中一个重要的参数。一般来讲,在具有较强自旋轨道耦合的材料中,如铂,钽等,拥有较大的自旋霍尔角。但是,关于各种材料中的自旋霍尔角的数值,不同方式给出的数值相差较大。因此,如何精确测量出材料中的自旋霍尔角以及找到具有较大自旋霍尔角的材料,对于实际应用具有重要价值。同时,为了和传统的集成电路相结合,需要拥有有效的手段对自旋流或者其和电荷流的转化进行电场的调控。另外,纯自旋流由于没有净的电荷移动,因此可以通过磁振子或者自旋波在绝缘体中传播。鉴于此,我们有可能在低能耗的情形下实现自旋流的长距离传输。在本论文中,1)我们首先介绍如何精确确定在理论和实验上均报道拥有较大自旋霍尔角的材料钽的这一参数。在我们的实验中,我们通过对以前文献中报道的测量自旋霍尔角的方法优缺点的分析;通过设计共面波导和样品的相对位置以及选定特殊的磁场角度,从而有效消除了寄生的信号（磁电阻引起的信号）;通过连续改变钽薄膜的厚度并测量Ta/CoFeB双层膜阻尼因子,从而将界面效应包含进来;再结合理论模型拟合有效混合电导和逆自旋霍尔效应的电压随厚度变化的数据,我们得出自旋霍尔角和自旋扩散长度分别为-0.0062和5.1 nm。2)对于四元的拓扑绝缘体材料BiSbTeSe（BSTS）,由于拥有spin-momentum locking以及更好的体态绝缘的性质。因此,可以预期对于其表面态电子拥有较大的自旋流和电荷流的转化效率。在我们实验中,我们选择单晶的YIG作为自旋流的注入层。同时,由于BSTS具有较弱的层间相互作用,易于利用机械剥离的方式获得较薄的BSTS样品。因此,我们利用机械剥离的方式将BSTS样品转移到YIG表面并作为自旋流的探测层。通过自旋泵浦实验,我们可以在BSTS层探测到一个大的逆自旋霍尔效应电压。随着温度降低,我们发现测得的电压信号反而上升,预示着表面态电子对测得的电压信号起主要贡献;进一步表明,拓扑绝缘体可以作为自旋流和电荷流的转化平台。3)为了和现代电子产业相结合,迫切需要可以对自旋流进行有效地电调控。这里,我们选取具有可以电场调控的铁电衬底PMN-PT,并在适合的生长条件下生长出高质量的YIG薄膜,并将其作为自旋流的注入层;随后在其上连续生长Pt和Cu薄膜作为自旋流的探测层。结合电场调控的自旋泵浦实验,我们实现了非易失的电场调控的逆自旋霍尔效应的电压。4)作为自旋基器件应用的重要基——有效地的长距离传输自旋流。在最近吸引了越来越多的研究者们关注。在我们的实验中,我们制备出垂直结构的Pt（5nm）/非晶化的YIG（80nm）/Pt（5nm）三层膜,将底层的Pt薄膜作为自旋流的注入层,中间层的非晶化的YIG薄膜作为自旋流的扩散层,顶层的Pt薄膜作为自旋流的探测层。我们实验发现,在底层中注入电流,在顶层我们可以测到电压。为了确认我们测得信号来自自旋的相关信号,我们在Pt（5nm）/非晶化的YIG（80nm）/Ta（5nm）三层膜中进行相同的测量。我们发现,两者测得的电压信号刚好相反,预示着我们测得的信号确实起源于自旋相关的信号,而不是寄生信号。因此,我们实验表明非晶化的YIG薄膜在厚度相对较薄的时候,可以作为自旋流传输的材料。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 自旋极化的电流和纯自旋流
•   1.2 自旋流的产生以及探测
•     1.2.1 自旋轨道耦合作用
•     1.2.2 自旋霍尔效应及逆自旋霍尔效应
•     1.2.3 自旋泵浦效应
•     1.2.4 自旋塞贝克效应
•     1.2.5 飞秒光脉冲产生THz频段自旋流
•   1.3 论文选题研究方向的发展现状以及论文的结构
•   参考文献
• 第二章 仪器和样品生长的介绍
•   2.1 磁控溅射介绍
•     2.1.1 等离子气体产生
•     2.1.2 溅射以及薄膜形成的过程
•   2.2 铁磁共振系统的背景介绍
•     2.2.1 谐振腔的方式测量FMR
•     2.2.2 结合VNA的FMR测量系统（VNA-FMR）
•   2.3 利用磁控溅射对几种氧化物生长条件的探索
• 3Fe₅O₁₂（YIG）'>    2.3.1 钇铁石榴石Y₃Fe₅O₁₂（YIG）
• 2衬底上生长具有面内各向异性的YIG薄膜'>      a)在Si/SiO₂衬底上生长具有面内各向异性的YIG薄膜
• 2衬底上生长具有面外各向异性的YIG薄膜'>      b)在Si/SiO₂衬底上生长具有面外各向异性的YIG薄膜
•       c)在GGG衬底上生长具有面内向异性的YIG薄膜
•     2.3.2 氧化镍（NiO）薄膜的生长
• 19（BaM）)薄膜的生长'>    2.3.3 六角钡铁氧体(BaFeO₁₉（BaM）)薄膜的生长
•   2.4 总结
•   参考文献
• 第三章 β相占主导的钽薄膜的自旋霍尔角和自旋扩散长度的测量
•   3.1 引言
•   3.2 自旋霍尔角的相关背景介绍
•   3.3 自旋整流效应
•   3.4 高电阻率钽薄膜中自旋霍尔角的测量
•   3.5 总结
•   参考文献
• 第四章 拓扑绝缘体中自旋流和电荷流的转化
•   引言
•   4.1 拓扑绝缘体背景介绍
•     4.1.1 量子霍尔效应
•     4.1.2 量子自旋霍尔效应
•     4.1.3 三维拓扑绝缘体
•   4.2 拓扑绝缘体中一些输运研究的介绍
•   4.3 机械剥离的拓扑绝缘体样品中自旋流和电荷流转化的研究
•   4.4 总结
•   参考文献
• 第五章 结合铁电衬底实现对纯自旋流和电荷流转换的非易失电调控
•   引言
•   5.1 铁电材料的发展历史及相关背景的介绍
•     5.1.1 铁电材料的发展历史
•     5.1.2 铁电材料相关的基本性质的介绍
•   5.2 铁电和自旋电子学结合的一些报道结果的回顾
•   5.3 基于PMN-PT/YIG/Pt异质结体系中电压调控自旋流和电荷流转换的结果
•   5.4 总结
•   参考文献
• 第六章 非晶化（non-crystalline）的钇铁石榴石（YIG）中自旋流的输运研究
•   6.1 背景介绍
•   6.2 非晶化YIG中自旋流输运的一些结果
•     6.2.1 非晶化YIG的一些背景介绍
•     6.2.2 Pt/non-crystalline YIG/Pt三层膜中自旋流输运研究的一些结果
•     6.2.3 Pt/non-crystalline YIG/Pt三层膜中测得的信号一些可能原因
•   6.3 总结
•   参考文献
• 第七章 总结与展望
•   7.1 总结
•   7.2 展望
• 致谢
• 博士期间发表的论文

文章来源

类型: 博士论文

作者: 余睿

导师: 丁海峰

关键词: 铁电衬底,电调控,自旋泵浦效应,逆自旋霍尔效应

来源: 南京大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学

单位: 南京大学

分类号: O469

总页数: 117

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