Fe3O4薄膜的制备和低温物性研究

论文摘要

近二十年来,为了将磁电子学应用到现在已经非常成熟的半导体产业中,很多人逐渐把注意力集中到半导体磁电子学上来。这门新兴学科的主要优点是可以与传统的金属氧化物半导体工艺兼容,从而将凝聚态物理的两大分支-半导体物理和磁学有机地结合起来,即在传统的以电荷为基础的半导体上添加自旋自由度,使现在的电子学器件的功能得到扩展,性能获得改善,提高数据处理的速度和集成密度以及降低功耗等,使当今已经十分成熟的微电子技术得到扩展。现在,半导体磁电子学被认为是磁电子学大规模实用化的最现实途径和今后发展的主流方向。本文研究了单晶Si衬底上的Fe3O4薄膜的制备方法及其低温物理性质,将磁电子学中的半金属材料和半导体材料结合在一起,为磁电子学的实用化打下基础。本文利用激光分子束外延（LMBE）设备成功的在单晶Si（100）和Si（111）衬底上制备了厚度为几十纳米且没有杂相的Fe3O4薄膜,发现薄膜取向与衬底取向有很大关系。TEM照片显示样品呈Fe3O4-SiO2-Si结构,而磁性测量显示Fe3O4薄膜具有明显的磁各向异性。在研究Fe3O4-SiO2-Si结构的电阻与温度的关系时,发现样品在低温下表现出Fe3O4薄膜本身的输运性质。但温度升高后,其电阻却会迅速下降,在接近室温时出现了从半导体导电性到金属导电性的转变,与一般的Fe3O4薄膜有很大不同。参考已有的研究结果,本文提出了双电流通路模型来解释Fe3O4-SiO2-Si结构的输运性质。根据这一模型,我们将Fe3O4-SiO2-Si结构的磁电阻分为三个温区来讨论。在第一温区内,由于温度较低,电子难以穿过SiO2绝缘层,电流被限制在Fe3O4薄膜里,样品表现出Fe3O4薄膜本身的磁电阻;随着温度上升到第二温区,由于热激发,电子有一定几率穿过SiO2层,从反型层通路传导,所以样品表现出的磁电阻逐渐从Fe3O4薄膜的负磁电阻转变为反型层的正磁电阻,而且在这一温区出现了异常大的低场负磁电阻;到第三温区,电流基本上全部从反型层导通,样品表现出反型层的正磁电阻效应,由于反型层的正磁电阻正比于零场电导率,随着温度升高,零场电导率下降,样品的正磁电阻也降低了。最后,本文研究了Fe3O4-SiO2-Si结构在不同温度下的霍耳效应,进一步证明了双电流通路模型的正确性,并知道了反型层为空穴载流子导电。考虑到Fe3O4和Si的功函数不同,会在SiO2层两边界面附近产生内建电场,引起能带弯曲,使Si的费米能级进入价带,从而产生了P型的反型层。我们还研究了Fe3O4-SiO2-Si结构在第二温区出现异常大的低场磁电阻的原因。因为在这一温区中Fe3O4薄膜和反型层通路中都有电流流通,所以这种奇特的现象应该和反型层有关。测量了室温下Fe3O4-SiO2-Si结构的I-V特性后,我们了解到反型层的电阻与所加的电压有很大关系。根据这个性质,可以得知测试得到的Fe3O4-SiO2-Si结构的低场负磁电阻实际上是Fe3O4薄膜和反型层电阻的减小叠加在一起的结果,这种叠加效果放大了Fe3O4薄膜本身的低场磁电阻。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 磁电阻效应
• 1.2.1 正常磁电阻效应
• 1.2.2 巨磁电阻效应
• 1.2.3 隧道巨磁电阻效应
• 1.3 自旋极化和半金属材料
• 1.3.1 自旋极化和自旋相关散射
• 1.3.2 铁磁半金属材料
• 3O₄的研究现状'>1.4 Fe₃O₄的研究现状
• 3O₄的基本性质'>1.4.1 Fe₃O₄的基本性质
• 3O₄薄膜'>1.4.2 Fe₃O₄薄膜
• 3O₄薄膜作铁磁层电极的隧道结'>1.4.3 Fe₃O₄薄膜作铁磁层电极的隧道结
• 1.5 本文的研究内容和意义
• 1.5.1 研究内容
• 1.5.2 研究意义
• 第2章 实验过程与方法
• 2.1 激光分子束外延（LMBE）技术
• 2.1.1 激光分子束外延的特点
• 2.1.2 激光分子束外延的原理和结构
• 2.2 样品的制备
• 2.2.1 实验设备与仪器
• 2.2.2 靶材制备和衬底清洗
• 2.2.3 薄膜的制备
• 2.3 样品的物性测量
• 2.3.1 结构分析
• 2.3.2 磁性及输运性质的测量
• 2.3.3 霍耳效应的原理与测量
• 2.4 本章小结
• 3O₄-SiO₂-Si结构的输运性质'>第3章 Fe₃O₄-SiO₂-Si结构的输运性质
• 3O₄-SiO₂-Si结构的性质'>3.1 Si（100）上Fe₃O₄-SiO₂-Si结构的性质
• 3.1.1 结构与成分
• 3.1.2 磁性分析
• 3.1.3 输运性质
• 3.1.4 反型层与双电流通路模型
• 3O₄薄膜的性质'>3.2 Si（111）上Fe₃O₄薄膜的性质
• 3.2.1 结构与成分分析
• 3.2.2 输运性质
• 3.3 本章小结
• 3O₄-SiO₂-Si结构的磁电阻效应'>第4章 Fe₃O₄-SiO₂-Si结构的磁电阻效应
• 3O₄薄膜的磁电阻'>4.1 Si（100）上Fe₃O₄薄膜的磁电阻
• 4.1.1 第一温区的磁电阻
• 4.1.2 第二温区的磁电阻
• 4.1.3 第三温区的磁电阻
• 3O₄薄膜的磁电阻'>4.2 Si（111）衬底上Fe₃O₄薄膜的磁电阻
• 4.3 本章小结
• 第5章 反型层形成机制及对低场磁电阻的放大作用
• 5.1 反型层的形成机制探讨
• 3O₄-SiO₂-Si结构的霍耳效应'>5.1.1 Fe₃O₄-SiO₂-Si结构的霍耳效应
• 5.1.2 反型层的形成机制
• 5.2 反型层对低场磁电阻的影响
• 5.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢