《單晶Fe3O4-半導體異質結構的自旋相關輸運研究》是依託東南大學，由黃兆聰擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：單晶Fe3O4-半導體異質結構的自旋相關輸運研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：黃兆聰
- 依託單位：東南大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
鐵磁-半導體異質結構中自旋電子的輸運是新一代自旋場效應電晶體（SFET）中的關鍵基礎問題。高效的自旋輸運有望帶來高速，低耗，信息不易失，突破摩爾定律的新型自旋電子器件。本項目研究最接近於未來實際SFET 的雙鐵磁端自旋電注入/電探測的異質結構。我們用高度自旋極化、高居里溫度、與半導體電阻率適配度較好的單晶磁性半金屬 Fe3O4作為自旋注入源；我們比較兩種具備較強自旋相干性、結構相似的半導體GaAs及InAs，分別與Fe3O4形成肖特基和歐姆接觸，或加入MgO 隧道層作為過渡層，形成隧穿勢壘，可分別研究這三種自旋注入機制。研究採用可進行量子調控的局域和非局域橫向自旋閥結構。本項目探索自旋相關輸運與材料和結構的關係，同時進一步揭示低維鐵磁-半導體異質結構中自旋輸運的物理本質。本項目的基礎物理研究將有利於推動發展信號清晰，集成度高，能夠在常溫下良好運行的新一代自旋電子器件。
結題摘要
在幾種可行的自旋電晶體中，特別是自旋場效應電晶體，自旋傳輸和自旋操縱是半導體自旋電子學邏輯器件的兩個關鍵組成部分。半導體裡自旋注入、自旋檢測和自旋相干性的研究繼續受到科學界和技術界的廣泛關注。Fe3O4作為一種半金屬材料，具有高居里溫度、高自旋極化率、電阻率與半導體較匹配等優勢，成為很有潛力的自旋電子學材料。本項目主要圍繞這個主題，採用分子束外延、微加工等樣品製備手段，通過磁性、鐵磁共振、X射線磁圓二色、磁輸運、第一性原理計算等為主要研究手段，對自旋電子由磁性材料向半導體的自旋注入里幾個關鍵問題進行了較為系統的研究，得到以下幾方面結果：（1）利用後氧化方法在單晶半導體上生長不同厚度的單晶Fe3O4薄膜形成異質結構，隨厚度減小，磁晶各向異性減小，但界面效應起重要作用，引起單軸各向異性增加、磁化動力阻尼增加，自旋軌道耦合增強，這都有利與自旋電子從Fe3O4向半導體的自旋注入；Fe3O4與GaAs之間的肖特基接觸也有利於自旋電子穿過界面時的自旋方向能夠保持。（2）我們將Fe3O4/GaAs異質結構製備成Fe3O4/GaAs/Fe3O4橫向自旋閥自旋注入器件進行自旋注入和自旋探測，IV測量發現Fe3O4與GaAs之間是肖特基接觸，利用磁各向異性和形狀各向異性，誘導出兩邊Fe3O4具有自旋平行和反平行兩種狀態，測量出室溫磁電阻效應，磁電阻的大小隨偏壓電流增大而變大，這將有利於實現室溫自旋場效應管的設計和套用。（3）我們利用磁控濺射生長Fe3O4中生長溫度和退火溫度、對Fe3O4微球進行SiO2包覆、第一性原理計算等方法，對Fe3O4的不同氧化態、氧化過程對磁性、半金屬性等進行深入研究，這都會影響自旋注入的效率。（4）我們利用對Fe3O4進行Zn摻雜，能夠對其電性、磁性、自旋軌道耦合等性質進行改性和調控，能夠更好的與半導體匹配，實現更好的自旋注入效率。（5）我們還對磁性/二維材料異質結構的磁性、磁各向異性進行了研究，有望進一步實現自旋電子向二維材料的自旋注入。
