磁性氧化物-半導(dǎo)體納米復(fù)合材料的特性研究.pdf

1、隨著人類邁入大規(guī)模信息和多媒體時代，飛速發(fā)展的信息科技要求電子器件的存儲密度最高，速度更快，功耗更低，尺寸更小及重量更輕。然而由于量子效應(yīng)以及摩爾定律等限制，傳統(tǒng)的電子器件微型化過程遇到了難以逾越的困境。而將電子的自旋屬性與信息科技的關(guān)鍵材料—半導(dǎo)體材料結(jié)合起來，被認(rèn)為是解決當(dāng)前困境的一種方法，因而成為了當(dāng)前研究的熱點方向之一
　　Fe3O4是一種亞鐵磁性的半金屬材料，其費米面處理論上具有100％的自旋極化率，居里溫度高于室溫(8

2、58 K)并且與半導(dǎo)體電導(dǎo)率匹配較好，因而很適合作為半導(dǎo)體器件的自旋注入源，也逐漸成為自旋電子學(xué)領(lǐng)域的研究熱點。本論文主要以Fe3O4/半導(dǎo)體復(fù)合結(jié)構(gòu)為研究對象，研究了不同形態(tài)下的的Fe3O4(顆粒，薄膜)與各種半導(dǎo)體材料（Ⅳ Si，Ⅲ-Ⅴ GaAs和Ⅱ-Ⅵ ZnS）復(fù)合結(jié)構(gòu)的磁性、表界面影響以及磁輸運性質(zhì)。主要結(jié)論如下:
　　1.采用脈沖激光沉積方法在Si基底上成功制備出高質(zhì)量(111)取向生長Fe3O4薄膜，并且對其結(jié)構(gòu)，形貌

3、，基本磁性及磁輸運性能進行了系統(tǒng)的研究。我們發(fā)現(xiàn)生長工藝（例如沉積溫度，退火溫度等）的不同對薄膜的結(jié)構(gòu)以及磁性能影響很大。高溫退火后的Fe3O4薄膜的磁電阻效應(yīng)明顯增強，比原位生長樣品增加了260％，自旋極化率增加了60％。磁阻增強效應(yīng)可能是來源于晶界處增強的自旋相關(guān)散射和晶粒內(nèi)部總磁矩的增加。
　　2.首次在高取向的Fe3O4薄膜上發(fā)現(xiàn)了反常正磁阻效應(yīng)，該效應(yīng)無法用各項異性磁電阻效應(yīng)進行解釋。為了研究該效應(yīng)產(chǎn)生機制，我們基于透射

4、電鏡，原子力顯微鏡，XMCD等技術(shù)表征結(jié)果，并且建立了一種以自旋濾波效應(yīng)和晶界遂穿磁阻效應(yīng)為基礎(chǔ)的電輸運模型對其進行了解釋。本項研究將加深人們對于Fe3O4薄膜輸運性能的理解。
　　3.通過鐵磁共振等手段研究了(111)取向生長的Fe3O4/Si薄膜中的磁各向異性分布，意外發(fā)現(xiàn)對于(111)取向生長的Fe3O4薄膜，其共振場與磁場取向角度的依賴關(guān)系無法用傳統(tǒng)的多晶和單晶自由能密度模型進行理論擬合。根據(jù)坐標(biāo)變換的數(shù)學(xué)手段，我們提出了

5、新的磁各向異性能的表達(dá)式，定義了新的磁各向異性參量并命名為磁織構(gòu)各向異性。由此成功的擬合了(111)取向生長的Fe3O4薄膜鐵磁共振場隨角度依賴關(guān)系，并且定量測定了各種磁各向異性的貢獻(xiàn)。需要指出的是，由于我們給出的磁織構(gòu)各向異性能表達(dá)式是基于單晶薄膜立方磁晶各向異性能的表達(dá)式，通過嚴(yán)格的數(shù)學(xué)推導(dǎo)包括積分中值定理和坐標(biāo)變換得到的，因此給出的磁織構(gòu)各向異性公式可以適用于所有的立方結(jié)構(gòu)磁性薄膜包括Fe，Ni等。相關(guān)研究有助于加強人們對于薄膜織

6、構(gòu)結(jié)構(gòu)對磁各向異性影響的認(rèn)識。
　　4.我們系統(tǒng)的研究了Fe3O4/GaAs單晶超薄膜的自旋弛豫性能，推導(dǎo)了針對單晶薄膜的鐵磁共振線寬各機制的理論公式，尤其是給出了單晶薄膜面內(nèi)雙磁子散射對鐵磁共振線寬貢獻(xiàn)的表達(dá)式，進而成功分離出了本征線寬進而得到了單晶薄膜阻尼因子的厚度依賴性關(guān)系。研究發(fā)現(xiàn)本征阻尼因子隨著薄膜厚度的降低而顯著降低，意味著L-S耦合的增強，這種增強的L-S耦合可能主要來源于對稱性破缺破壞了晶場對軌道磁矩的淬滅，引起了

7、軌道磁矩的增加。
　　5.我們對Fe3O4/GaAs單晶超薄膜的界面進行了研究，研究發(fā)現(xiàn)Au覆蓋層的引入有效的降低了Fe3O4單晶薄膜的磁矩、磁各向異性和本征阻尼因子，考慮到Au與Fe3O4之間相近的晶格錯配率，我們將其歸因于Au覆蓋層界面對Fe3O4晶格弛豫的幫助。
　　6.通過化學(xué)方法成功制備了球殼結(jié)構(gòu)的Fe3O4/ZnS多功能納米復(fù)合材料。由于磁核Fe3O4和半導(dǎo)體ZnS之間較大的晶格錯配率，在Fe3O4表面直接沉積Z

8、nS納米晶形成穩(wěn)定的球殼結(jié)構(gòu)較為困難，往往需要在二者之間添加非晶的緩沖層來實現(xiàn)ZnS層的包覆。我們通過晶種法成功在Fe3O4表層直接包覆了結(jié)晶良好的ZnS納米晶，并且實現(xiàn)了包覆厚度的可控。通過各種結(jié)構(gòu)形貌及物性表征手段對其磁性和光致發(fā)光性能進行了研究，證明了這種復(fù)合結(jié)構(gòu)具有多功能性。
　　7.我們還以Fe3O4/ZnS為載體首次對Ⅱ-Ⅵ族半導(dǎo)體ZnS的自旋輸運性能進行了研究，并且發(fā)現(xiàn)ZnS層的引入可以有效的增強Fe3O4顆粒的磁電