论文部分内容阅读
自旋电子学的研究和探索为基础科学和信息产业的可持续发展提供了新型动力。其中,包括铁磁性金属和反铁磁金属在内的常规磁性金属材料在自旋电子学创立之初就被当作主要研究内容,用来推动自旋电子学发展,特别是自旋电子器件高性价比的工业实用化。近年来,多个新兴分支加入自旋电子学并日益壮大,如重金属中的自旋霍尔效应（SHE）以及自旋轨道力矩（SOT）效应驱动磁矩翻转,温度梯度驱动磁性绝缘体中磁子的输运和磁子阀效应（MVE）等等。这些新突破为自旋电子学的研究提供了科学探索的新视角和工业应用的新机遇。通过这些新进展,我们反观磁性金属,发现铁磁性及反铁磁性金属中的自旋霍尔效应、反常霍尔效应及反常能斯特效应与电学及热学方法调控下的自旋注入、自旋轨道力矩的产生及磁矩翻转以及二维材料中新奇电输运特性等新奇自旋量子效应,有着诸多内在的物理关联和相互结合研究的可能性,非常值得进一步探索和实验验证。本论文围绕这个主题,在总结已有理论体系和研究方法的基础上,采用磁控溅射或分子束外延薄膜沉积方法、紫外光刻和氩离子刻蚀等微纳米图形化手段以及直流四探针或交流谐波电输运测试模式,对反铁磁性金属IrMn和Cr、铁磁性金属NiFe、二维铁磁性金属Fe3GeTe2等体系的自旋霍尔效应、反常霍尔效应以及反常能斯特效应进行了系统研究。（1）研究了反铁磁金属IrMn及重金属Pt、Ta中自旋霍尔效应和自旋弛豫机制。具有IrMn（Ta,Pt）/MgO/CoFeB/Ta/Ru结构的自旋注入隧道结中二次谐波测试的磁场依赖关系有着明显的汉勒效应信号,借助自旋注入与弛豫模型拟合洛伦兹线型曲线估算了自旋弛豫时间,达到1-10 ps量级。通过探测及比对自旋弛豫时间的温度依赖关系,将重金属Pt中的自旋弛豫机制归结为源于自旋轨道耦合相关的杂质散射的Elliott-Yafet弛豫机制,为其在磁矩调控和自旋流产生等问题的解决提供物理机制方面的借鉴。（2）研究了在反铁磁轻金属单晶Cr中自旋霍尔效应的探测及其自旋涨落增强。与包含磁性杂质的重金属合金相比,反铁磁金属既可以提供局域磁矩又对外不显示自发磁化,可以显著降低器件单元之间的相互退磁场干扰,使样品制备更为简单。制备包含反铁磁金属Cr的单晶隧道结薄膜Cr/MgO/Fe/Au,Cr和Fe的晶格常数与MgO势垒层有着很好的匹配,通过高分辨透射电镜和能量损失谱的方法证明单晶薄膜具有优异的外延特性和清晰的层间界面。之后将单晶薄膜通过紫外微纳加工技术加工为6微米×6微米隧道结器件阵列。自旋霍尔隧道谱方法中谐波测试的自旋霍尔电压强度比较显著,在200 K时自旋霍尔角的强度达到0.15。体系温度依赖关系在接近反铁磁-顺磁转变温度200 K时,自旋霍尔电导出现可观的与室温值相比的增益,达到了100%,在已知金属材料中属于先进水平。结合已有理论模型,本文将这种增益归结于传导电子与局域磁矩相互作用被自旋涨落增强,其主导机制为自旋霍尔效应的斜散射机制。（3）通过铁磁金属的反常霍尔效应产生自旋力矩,在基于NiFe/Cu/NiFe/Co/IrMn/Pt自旋阀中,施加面内电流实现零磁场下的面内磁矩翻转。翻转行为具有1 MA/cm2量级的临界翻转电流密度。反常霍尔效应产生的自旋流具有（-m R?m R×E）的特殊形式,可通过调节参考层的磁矩状态来改变电流翻转极性。该结构被证实在基于Co/Au/Co的自旋阀中也可以实现确定性的零场翻转,并且拥有低温至10 K和在两端结构中的可行性。（4）在具有垂直磁各向异性的二维金属薄膜Fe3GeTe2中观测到反常霍尔效应与反常能斯特效应。采用高真空低速热蒸发生长的多晶Fe3Ge Te2薄膜及其图形化后的热电测试器件,研究反常霍尔角、塞贝克系数及反常能斯特系数以及它们的温度依赖关系,并且基于Mott关系建立起在一定温度区间单调的标度律。与单纯的Mott关系相比更能体现出反常霍尔效应与热电系数的协同性。同时标定出能斯特系数等热电系数最大值达到0.28μV/（KT）,并且有可观的热电功率因子,能为今后进一步研究二维磁性导体的热电效应提供参考和指导。