Co與ZnO半導(dǎo)體等復(fù)合膜磁電阻效應(yīng)及自旋注入的研究.pdf

1、自從在Fe/Cr金屬多層膜中發(fā)現(xiàn)巨磁電阻效應(yīng)以來，人們在磁性金屬/非磁性材料的多層膜、顆粒膜和磁性隧道結(jié)中都相繼發(fā)現(xiàn)了磁電阻效應(yīng)，而且其在磁傳感器、計算機讀頭及磁隨機存儲器等自旋電子器件上得以廣泛應(yīng)用。相對于金屬/絕緣體薄膜而言，以半導(dǎo)體為勢壘來研究磁電阻效應(yīng)的報道卻很少，半導(dǎo)體材料具有較低的勢壘高度，能顯著降低材料的電阻率，同時通過增加半導(dǎo)體的厚度，可以有效減少針孔效應(yīng)的發(fā)生。盡管已有文獻報道了磁性金屬/半導(dǎo)體薄膜的室溫磁電阻效應(yīng)，但

2、如何進一步提高磁電阻的數(shù)值和磁電阻效應(yīng)的產(chǎn)生機制等有待進一步探究。
　　 本論文采用磁控濺射超薄分層交替沉積的方法，室溫下制備了Co/ZnO等薄膜，對薄膜的結(jié)構(gòu)、磁性、磁電阻效應(yīng)及金屬/半導(dǎo)體界面的自旋電子注入進行了研究。①比較了Co/ZnO與Co/Al2O3、Co/C和Co/Cu薄膜的結(jié)構(gòu)和磁電阻效應(yīng)，探明Co/ZnO薄膜磁電阻效應(yīng)的來源；②通過在ZnO中加入少量Al來提高薄膜的磁性和磁電阻效應(yīng)；③在Co/ZnO薄膜中發(fā)現(xiàn)了磁

3、電阻效應(yīng)對其電阻的依賴關(guān)系。主要研究內(nèi)容如下：
　　 (1)采用固定Co層厚度(0.6 nm)，改變ZnO層厚度(0.4-3.0 nm)的方法制備了Co/ZnO薄膜，發(fā)現(xiàn)薄膜形成了Co納米顆粒包裹在ZnO半導(dǎo)體中的顆粒膜結(jié)構(gòu)，薄膜中有少量Co2+取代了ZnO中的Zn2+離子；同時薄膜的室溫和低溫負(fù)磁電阻值分別達到11.9％和26％，薄膜電阻與溫度間的lnp與T-1/2線性關(guān)系說明薄膜的磁電阻效應(yīng)來源于磁性納米顆粒間電子自旋相關(guān)的

4、隧穿輸運機制；而高溫時lnp與T-1/2發(fā)生微小的非線性偏離說明溫度的升高使自旋無關(guān)的高階跳躍輸運逐漸增多；薄膜低溫時磁電阻效應(yīng)的加強源于自旋相關(guān)的高階隧穿。
　　 (2)通過對Co/ZnO、Co/Al2O3、Co/C和Co/Cu薄膜結(jié)構(gòu)和磁電阻效應(yīng)的對比研究，發(fā)現(xiàn)四種不同基質(zhì)材料的薄膜均形成了Co顆粒包裹在非磁性基質(zhì)中的顆粒膜，隨基質(zhì)材料與金屬Co表面能差的增加，薄膜中Co顆粒尺寸逐漸減??；金屬Co和半金屬C之間較大的電導(dǎo)失配

5、使Co/C薄膜沒有室溫磁電阻效應(yīng)；在Co/ZnO薄膜中金屬Co顆粒使部分ZnO中的電子極化，較大的室溫磁電阻效應(yīng)可能與Co顆粒與ZnO基質(zhì)界面處部分極化的電子有關(guān)。
　　 (3)采用磁控濺射方法在ZnO中摻入金屬Al制備了Co/ZnAlO(Al：2at.％)薄膜，發(fā)現(xiàn)Co/ZnO與Co/ZnAlO薄膜均形成了磁性納米顆粒包裹在半導(dǎo)體中的顆粒膜，薄膜的磁性來源于金屬Co顆粒以及Co顆粒與半導(dǎo)體基質(zhì)界面處的梯度磁性半導(dǎo)體；在Co/Z

6、nAlO薄膜中獲得12.3％的室溫負(fù)磁電阻值，這是目前為止在磁性金屬/半導(dǎo)體薄膜中得到的最大室溫負(fù)磁電阻值；Al的加入使Co/ZnAlO薄膜的磁性和室溫磁電阻效應(yīng)同時提高，磁性的增加是由于Al的加入增加了薄膜中載流子濃度，從而增強了磁性半導(dǎo)體的磁性；磁性半導(dǎo)體磁性的增加使其對傳導(dǎo)電子的自旋過濾效應(yīng)增強，提高了Co/ZnAlO薄膜的室溫磁電阻效應(yīng)和自旋電子注入效率。
　　 (4)通過改變?yōu)R射氣壓和ZnO厚度等一系列實驗條件制備了C

7、o/ZnO薄膜，通過大量實驗數(shù)據(jù)系統(tǒng)分析發(fā)現(xiàn)Co/ZnO薄膜室溫磁電阻效應(yīng)對其電阻具有明顯的依賴性，當(dāng)1300Ω