Cr2O3及Fe3O4薄膜中自旋输运现象的研究

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自旋电子学是围绕自旋这一电子的量子自由度展开的新兴学科,以自旋代替电荷成为新一代器件中能量及信息的载体是其核心目标之一。不同凝聚态体系中自旋输运现象的研究为自旋信息器件开发提供了基础的物理保障,是自旋电子学的核心研究领域之一。凝聚态体系中自旋的载流子并不局限于自由电子,绝缘体中的磁激发态(磁子)也可以成为自旋的载体,因此自旋传输在材料体系的选择上比电荷具有更为宽广的可能。而磁性材料特别是磁性氧化物中自旋与其它物理维度间复杂的交互作用,也带来众多新奇的自旋相关的物理现象,这大大的丰富了自旋相关的基础物理也拓展了其应用可能。磁性氧化物中自旋相关研究的广度不断拓展,但大量现象的物理机制仍不明晰,其研究深度仍有待提高。本工作针对两类代表性过渡金属磁性氧化物,在系统研究了其中自旋输运相关的物理现象的同时,对其内在机理及现象的物理本质进行了探讨。Cr2O3是过渡金属氧化物的典型代表,其单轴各向异性的反铁磁序及磁电效应曾被广泛研究。近期伴随自旋磁阻巨大变化的自旋庞磁阻效应在Cr2O3体系中被首次发现,为Cr2O3做为自旋功能材料的应用打开了新的可能。然而,纳米尺度Cr2O3中自旋磁阻的变化机理仍有待明晰。本工作在对自旋庞磁阻效应进行了系统再现的基础上,提出了两种自旋阻断机制,即:界面混合电导变化机制和内部衰减系数变化机制。基于自旋输运数据分析,我们提出自旋流在内部衰减是宽温度范围Cr2O3自旋输运的主导因素,而相变点附近剧烈的自旋传导变化则是界面和内部衰减两种机理共同影响的结果。另一方面,Fe3O4做为过渡金属氧化物中亚铁磁材料的典型代表被广泛研究。其复杂的磁晶交互作用带来了众多新奇的物理现象,其中的电子相变(Verwey相变)被人们熟知并进行了广泛的研究。本工作利用自旋输运技术对自旋流与Verwey相变的相互作用进行了探索。首先利用磁控溅射系统制备了具有Verwey相变的Fe3O4薄膜并对其成膜工艺进行了优化。在此基础上构建了YIG/Fe3O4/Pt三层器件并对Fe3O4中自旋输运与Verwey相变的相互作用进行了探讨。结果表明,在相变前后Fe3O4薄膜中自旋输运特性发生了明显变化,在120 K相变点附近Fe3O4的自旋传输温度系数发生了由铁磁性良导体向反铁磁绝缘体特性的明显变化。该结果说明Fe3O4中Verwey相变与自旋之间存在着内在相互作用,并且可以由自旋输运实验进行探测。本工作针对两类典型磁性氧化物中的自旋输运现象进行了系统研究。不仅加深了磁性氧化物体系中自旋输运现象本质的理解,也拓展了自旋流做为探测手段在材料研究中应用的可能。在深化对自旋输运过程认识的同时,也为下一代自旋器件的研发拓展了视野。
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