《Nb:TiO2室溫鐵磁性機理及其自旋極化輸運與調控的研究》是依託北京師範大學，由聶家財擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：Nb:TiO2室溫鐵磁性機理及其自旋極化輸運與調控的研究
- 依託單位：北京師範大學
- 項目負責人：聶家財
- 項目類別：面上項目
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
探究半導體室溫鐵磁性的起源，以及尋找Tc高於室溫且能實現自旋極化輸運的、電場可調的鐵磁性半導體材料，是目前自旋電子學研究的一大重點。Nb摻雜銳鈦礦TiO2 （Nb:TiO2），是一種載流子濃度可調範圍大、具有室溫鐵磁性的n型氧化物半導體材料，是最有可能用於製備室溫自旋電子學器件的半導體之一。目前，迫切需要澄清的問題是，此氧化物半導體是否具有室溫下的自旋極化輸運特性，以及此半導體的室溫鐵磁性是否能夠通過改變其載流子濃度來實現調控。在本課題中，我們將結合XPS和第一性原理計算揭示Nb:TiO2室溫鐵磁性的起源，製備Nb:TiO2基磁隧道結，探測其自旋極化輸運特性，並對薄膜施加門電壓，以調控薄膜的載流子濃度，探究其室溫鐵磁性隨外電場也就是載流子濃度的變化情況，為Nb:TiO2基自旋半導體器件的設計和製備提供充分的實驗依據。
結題摘要
圍繞Nb:TiO2室溫鐵磁性機理及其自旋極化輸運與調控問題，我們利用雷射分子束外延(L-MBE)的方法製備了高質量的Nb:TiO2薄膜，通過X射線光電子能譜(XPS)，檢測材料中元素所處的化學環境，並結合第一性原理計算與相關的輸運測量，闡明了Nb:TiO2中鐵磁性的起源是未配對的d電子。製備了高質量的Nb:TiO2基磁性隧道結，探測了該半導體室溫下的自旋極化輸運特性。項目實施基本上按照原計畫進行，獲得了如下研究成果： 1、Nb:TiO2薄膜室溫鐵磁性機理的研究：利用L-MBE方法製備了Nb:TiO2薄膜。XPS測量和第一性原理計算表明，未配對的d電子導致了Nb:TiO2中具有鐵磁性。另外，研究發現，Nb:TiO2的鐵磁性會隨著載流子濃度的增大而增大，表現出載流子調控的特性。 2、Nb:TiO2基磁隧道結自旋極化輸運的研究 製備了具有不同勢壘厚度的高質量Nb:TiO2基磁性隧道結（MTJ）。在MTJ中觀測到了類似於隧道磁電阻效應（TMR）的行為，在室溫下，其TMR比率在29%左右，當溫度降低到6K，其TMR比率達到了600%，表明Nb:TiO2具有極化輸運的特徵。其次，在不同摻雜濃度的Nb:TiO2薄膜的Hall結構中，通過測量電阻率隨溫度的變化曲線，發現Nb:TiO2中存在Kondo效應，表明Nb:TiO2中存在本徵的局域磁矩。在對Hall電阻隨磁場的變化情況的測量發現，5%摻雜的Nb:TiO2薄膜具有反常Hall效應，直接證明了Nb:TiO2中的載流子具有極化特性。上述結果表明，Nb:TiO2的載流子具有極化輸運的特性，是製備自旋電子學器件的候選材料之一。 3、Kondo效應和Hall遷移率的電場調控 採用雙電層場效應方法來調控銳鈦礦TiO2薄膜器件的載流子濃度，使其從5.0×10^13增加到1.5×10^15 cm^-3，伴隨著銳鈦礦TiO2發生了絕緣體-金屬相變，其電阻減小了近三個數量級。同時證實了在我們的銳鈦礦TiO2器件樣品中存在Kondo效應，並且具有較高的Kondo特徵溫度。更加有趣的是Kondo效應和霍爾遷移率都表現出很強的載流子依賴特性。因此我們可以改變柵壓來調控Kondo效應，並且可以使霍爾遷移率提高接近一個數量級。我們對這些結果都給出了合理的解釋。我們的實驗證實了雙電層場效應技術確實是研究、調控材料新奇物理性質強有力的工具。
