發(fā)布時(shí)間：2020-11-02 03:19

　　 半導(dǎo)體自旋電子學(xué)領(lǐng)域的研究可以將半導(dǎo)體與磁性材料的優(yōu)勢(shì)結(jié)合在一起。甚至可以在單個(gè)芯片上集成存儲(chǔ),檢測(cè),邏輯和通信等不同的功能。氮化鎵(GaN)是具有高熱穩(wěn)定性的寬帶隙半導(dǎo)體,通常被用于光電,高頻和高功率微電子領(lǐng)域。GaN具有弱的自旋軌道相互作用,并且具有較長(zhǎng)的自旋弛豫時(shí)間,這使得GaN成為一種非常適合半導(dǎo)體自旋電子學(xué)研究的材料。與無(wú)機(jī)自旋電子器件相比,有機(jī)自旋電子器件也非常吸引人,因?yàn)橛袡C(jī)材料的電荷載流子的自旋壽命長(zhǎng),而且其成本相對(duì)較低,并且具有柔性和化學(xué)多樣性。近年來(lái),關(guān)于半導(dǎo)體自旋電子學(xué)和有機(jī)自旋電子學(xué)的研究引起了人們極大的興趣。在本論文中,我們研究了包含砷化銦(InAs)/砷化鎵(GaAs)量子點(diǎn)和銦鎵氮(InGaN)/GaN量子阱的自旋發(fā)光二極管(Spin-LED)中的自旋注入。此外,我們還研究了有機(jī)多鐵性隧道結(jié)的鐵電性能。首先,我們研究了包含單層p摻雜InAs/GaAs量子點(diǎn)(QD)的spin-LED,在零施加磁場(chǎng)下,其發(fā)射光的圓偏振度(Pc)高達(dá)18%。與偏置電壓的依賴關(guān)系表明,在10K時(shí),偏置電壓為2.5V(對(duì)應(yīng)于6μA)時(shí),自旋偏振度達(dá)到最大值。此外,溫度對(duì)Pc也有很強(qiáng)的影響,在60K-80K溫度范圍前后Pc有顯著變化。最后,我們從輻射復(fù)合時(shí)間τr和自旋弛豫時(shí)間τs之間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系討論了偏振度與偏壓和溫度的依賴關(guān)系。對(duì)p摻雜InAs/GaAs QD spin-LED的自旋弛豫機(jī)制的理解有助于進(jìn)一步提高spin-LED的器件性能。另外,我們?cè)贕aN上實(shí)現(xiàn)了具有垂直磁各向異性的自旋注入結(jié)的外延生長(zhǎng),并研究了 GaN spin-LED的自旋注入過(guò)程。我們研究了 Fe/MgO和Co/MgO兩種自旋注入結(jié)。首先,通過(guò)使用原位反射式高能電子衍射儀和原子力顯微鏡研究了溫度對(duì)MgO生長(zhǎng)的影響。然后,我們研究了 Fe或Co在MgO/GaN上的生長(zhǎng)。與Fe/MgO相比,Co/MgO自旋注入結(jié)具有明顯的垂直磁各向異性。此外,我們通過(guò)第一性原理計(jì)算來(lái)了解Co/MgO(111)界面上的垂直磁各向異性的起源。最后,在n-i-p型GaNLED結(jié)構(gòu)上生長(zhǎng)了 Co(0001)/MgO(111)自旋注入結(jié)并制備了 GaN spin-LED器件。然而,在偏振分辨的電致發(fā)光譜測(cè)量中未檢測(cè)到圓偏振光發(fā)射。這可能是由于在Co/MgO界面處形成的氧化層或是由于未優(yōu)化的GaN LED結(jié)構(gòu)導(dǎo)致。最后,我們研究了基于摻雜有四氧化三鐵(Fe3O4)納米顆粒的聚偏二氟乙烯(PVDF)勢(shì)壘的有機(jī)多鐵性隧道結(jié)。有機(jī)多鐵性隧道結(jié)最近吸引了很多關(guān)注,因?yàn)樗鼈兛梢越Y(jié)合自旋電子學(xué),有機(jī)電子學(xué)和鐵電電子學(xué)的優(yōu)點(diǎn)。我們成功地制備了La0.6Sr0.4MnO3/PVDF:Fe3O4/Co有機(jī)多鐵性隧道結(jié),結(jié)果表明,在PVDF勢(shì)壘層中加入Fe3O4納米顆�？梢燥@著改善該有機(jī)多鐵性隧道結(jié)的鐵電性能。PVDF:Fe3O4基有機(jī)多鐵性隧道結(jié)在10K時(shí)顯示出約450%的高隧穿電致電阻(TER),是純PVDF基有機(jī)多鐵性隧道結(jié)的6倍。此外,兩種極化態(tài)之間的高能量勢(shì)壘(14meV)保證了含有Fe3O4納米顆粒的有機(jī)多鐵性隧道結(jié)具有更好的熱穩(wěn)定性,即使在室溫下也能保持100%的TER。含有PVDF:Fe3O4納米復(fù)合材料的有機(jī)多鐵性隧道結(jié)的鐵電性能的提高將促進(jìn)有機(jī)多鐵性隧道結(jié)在記憶電阻器和自旋電子學(xué)中的應(yīng)用。
【學(xué)位單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：O469
【部分圖文】：

ｐ？－???????：／?＾—??Ｍ?－?－＋８０％?，潑?＠?．??（Ｆｅ?３ｎｍ／Ｃｒ?１．２ｎｍ）?ｏ．７?－?＼?＾?￣??？ｌ．??Ｗ?＿?）ｙ｜?ｙＴ??（Ｆｅ?３ｎｍ?ｌ?Ｃｒ?０．９ｎｍ）?，?ｒ?／?ｊｒ??￣?．?一￣縦夢(mèng)觀■??０３?－?ｉ?？?＇?－＾７?？??ｉ?ｉ?ｉ?ｉ?１?ｌ?Ｉ?．?Ｉ?，?／??－４０?－３０?■００?－１０?０?１０?２０?３０?４０??Ｈ?（ｋＧａｕｓｓ）??圖１．１?（ａ＞?Ｆｅ?／?Ｃｒ超晶格在外部磁場(chǎng)Ｈ下在４．２Ｋ時(shí)的電阻變化。Ｈｓ是飽和常（ｂ）在??Ｆｌ＿２疊層中發(fā)生的散射過(guò)程的示意圖。該三層膜由兩個(gè)相同的鐵磁層Ｆ１和Ｆ２夾著一??個(gè)非磁性金屬間隔層Ｍ組成，電流在平面內(nèi)循環(huán)［７］。??采用濺射方法沉積的多層材料中也顯示了?ＧＭＲ效應(yīng)，進(jìn)而擴(kuò)展了其工業(yè)應(yīng)??用的可能性。此外，銅具有高的自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度可使電子保留數(shù)納米的自旋極化［８］，??因此銅也可以作為非磁性間隔材料。自旋閥結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)使得巨磁阻效應(yīng)的應(yīng)用很??快變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)［９］。在ＧＭＲ效應(yīng)研宄的初始階段，自旋閥結(jié)構(gòu)中的電流方向僅沿層??平面內(nèi)（ＣＩＰ）。而且，圖１．２（ａ）中所示的ＣＩＰ自旋閥結(jié)構(gòu)也有限制器件尺寸縮小??的問(wèn)題。１９９３年，Ｂａｓｓ，Ｐｒａｔｔ和Ｓｃｈｒｏｅｄｅｒ［１（Ｍ１］采用將磁性多層膜夾在超導(dǎo)電極??之間的方法實(shí)現(xiàn)了垂直于平面的電流（ＣＰＰ）結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)。在ＣＰＰ結(jié)構(gòu)中，ＧＭＲ??不僅高于ＣＩＰ結(jié)構(gòu)，而且ＧＭＲ效應(yīng)還存在于相對(duì)較厚的（直至微米級(jí)）的多層結(jié)??構(gòu)中［ｍ３］。如今，硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器中的大多數(shù)讀取頭都是采用ｃＰｐ結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)

?第一章緒論???ｉ??（ａ）??．．．．．．．．．．?＾?＾?＾?＾：－??１??＿／??（ｂ）?＾｜｜Ｋ．??ｉ?－?－ｉ??一——＊ｉ?．，…．．二——二二—ｆ??■Ｈｒ??圖１．２（ａ）讀頭中的ＣＩＰ自旋閥傳感器示意圖。（ｂ）讀頭中的ＣＰＰ自旋閥傳感器示意圖Ａ??１．１．２磁性隧道結(jié)??通過(guò)用絕緣層替換非磁性層，我們可以得到另一類重要的自旋電子器件：磁??性隧道結(jié)（Ｍａｇｎｅｔｉｃ?Ｔｕｎｎｅｌ?Ｊｕｎｃｔｉｏｎｓ，?ＭＴＪｓ）。在磁性隧道結(jié)結(jié)構(gòu)中，薄的電絕緣??層夾在兩個(gè)鐵磁層中間。通過(guò)在結(jié)上施加電壓，電子可以從一個(gè)鐵磁層通過(guò)絕緣??層隧穿到另一鐵磁層。器件的電阻將取決于與隧道勢(shì)壘接觸的磁性層的磁化強(qiáng)度??的相對(duì)方向，從而產(chǎn)生隧道磁阻（Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ＴＭＲ）。Ｊｕｌｉ＆ｒｅ［１５：＾??１９７５年首次報(bào)道了有關(guān)ＭＴＪｓ的結(jié)果，但由于磁阻值非常小而且實(shí)驗(yàn)僅在低溫下??測(cè)量，因此研宄人員對(duì)此并未給予太多關(guān)注。實(shí)際上，控制好薄絕緣層的生長(zhǎng)是??ＭＴＪｓ發(fā)展的關(guān)鍵所在。１９９５年，Ｍｏｏｄｅｒａ等人［１６］首次通過(guò)使用氧化鋁（ＡｈＯｓ）隧??道勢(shì)壘在室溫下獲得了大于１０％的磁阻值。??３??

＊＊？??－ＣＸ２５?＿?＾?－??－０３０＞?Ｖ?１?＼??？?：?：??—〇???－＾－＾－一—?、＂?＇—￣￣Ｘｓ￣＾—????〇：１?ｖ?＂ｓ＝＾?ｙ??＜ｒ?ｉｏｄ－?／＼?ｒ＼?－??［１?＼?ＣｏＦ．／Ａ＾Ｏｊ／Ｃｏ?＿??＼?ＪＵＮＣＴＪＯＮ??５．０?－?Ｉ?１?－??２�。荆�?３＝?ｊ?＇??｜?１?ｒ＊＊￣￣ｔ￣￣￣；￣￣￣－ｎｒｉｉｉｎｍ??－６００?－４００?－ａｘ＞?０?２００?４００?６００??Ｈ?（Ｏａ）??圖１．３在２９５Ｋ時(shí)，ＣｏＦｅ／Ａｌ２０３／Ｃｏ結(jié)電阻，ＣｏＦｅ膜電阻和Ｃｏ膜電阻與平行于薄膜平面??的磁場(chǎng)強(qiáng)度Ｈ的關(guān)系曲線［１６］。??Ｊｕｌｉ把的模型是基于費(fèi)米能級(jí)自旋極化的概念，定義為：??ｐ???＾Ｍ，ｉ?＾ｍ，ｉ??＇＝Ｎｍ?＋?Ｎｍｉｉ??其中和＾Ｖｉ分別是自旋多子和自旋少子的電極編號(hào)ｚ？的態(tài)密度。??對(duì)于ＴＭＲ而言，該假設(shè)考慮了兩個(gè)傳導(dǎo)通道，每個(gè)傳導(dǎo)通道與一個(gè)自旋方??向相關(guān)聯(lián)，隧穿過(guò)程中自旋得以保留。得益于費(fèi)米黃金定律，并考慮到施加的電??壓低并且溫度低，每個(gè)自旋通道的電導(dǎo)與勢(shì)壘兩側(cè)的態(tài)密度乘積成正比�？傠妼�(dǎo)??即是兩個(gè)自旋通道的電導(dǎo)之和，平行結(jié)構(gòu)和反平行結(jié)構(gòu)中的總電導(dǎo)是不同的。如??圖１．４所示的鐵磁電極的簡(jiǎn)化能帶結(jié)構(gòu)，總電導(dǎo)可以表示為：??ｇｐ?＝?ｗＭ１ｙｖＭ２?＋?ｙｖｍｌ；ｖｍ２，平行結(jié)構(gòu)??心／＾＾…＾?＋?＾…＾反平行結(jié)構(gòu)??隧道磁阻的定義如下：??ＴＭＲ?￣￣?Ｒａｐ￣Ｒｐ?—?Ｇｐ￣〇ＡＰ?—?２ｐｉｐ２??ＲＰ?ＧＡＰ?ＵｌＰ２??１９８９年，Ｓｌｏｎｃｚｅｗｓｋｉ提出了一個(gè)分析模型，該模型的隧道極
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