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低维金属氧化物薄膜是凝聚态物理研究的热点之一,具有很多新奇的物理现象和电、磁特性,例如巨电阻效应(CER),电致发光(EL)和交换偏置(Exchange Bias)等,这些新奇的现象和特性极有可能应用在半导体工业的存储、显示和新型的自旋电子器件。
论文分成两部分,第一部分为金属氧化物电致电阻效应的研究,包括第一至五章。第二部分为利用X射线磁圆二向色性和磁线性二向色性研究铁磁/反铁磁(AFM/FM)交换耦合,包括第六至十章。
第一章简要介绍了电阻型随机存储器(RRAM)的科学和工业背景,着重介绍了电致电阻器件的材料,类别和物理机制。
第二章介绍了RRAM样品的制备与测量实验手段:包括磁控溅射的基本原理和紫外光刻,电输运测量,随后介绍了我们搭建的低频噪声测试系统和EL测量分析系统。
第三章介绍了基于ITO/TiO2/ITO三明治结构的完全透明的电阻型随机存储器(TRRAM),通过磁控溅射和紫外光刻制备,表现出稳定的双极开关特性。TRRAM在400至800nm波长的可见光区域具有80%以上的透射率。TRRAM表现出多达300000次的连续读写能力。通过分析我们认为熔丝模型可以很好的解释TRRAM的开关效应。
第四章我们通过改善TRRAM的电学特性,获得了更加稳定的器件,采用激光共聚焦扫描荧光显微镜研究了TRRAM的EL,在实验上揭示了TRRAM的开关效应属于局域效应,符合熔丝模型,并且发光的强度,模式等特点与高低阻态密切相关。
第五章我们研究了基于Pr0.7Ca0.3MnO3(PCMO)的RRAM三种阻态(初始阻态,低阻态和高阻态)的低频噪声行为,RRAM表现出稳定的双极翻转特性,在室温下,三种阻态的低频噪声均符合1/(f)噪声行为,并且噪声的强度正比于器件内部电流的平方,证明1/(f)噪声来源于器件电阻的涨落。而活性金属Ta和PCMO的界面在其开关效应中起了非常重要的作用。
第六章是关于AFM/FM交换耦合相互作用的背景介绍,包括Exchange Bias,AFM/FM交换耦合的研究背景,研究体系和研究目的等。
第七章介绍了样品的生长和主要使用的三种实验手段,表面磁光克尔效应(SMOKE),X射线光发射电子显微镜(X-PEEM)和X射线磁性谱测量的实验原理和实验仪器。
第八章中,我们通过采用分子束外延(MBE)在Cu(1,1,10)的单晶衬底上外延了FeMn/Fe/Co三层超薄膜,利用用MOKE和X-PEEM研究了该体系中AFM/FM交换相互作用。实验发现对于铁磁性的fcc Fe薄膜区域,FeMn/Fe/Co/Cu(1,1,10)和FeMn/Co/Cu(1,1,10)所表现的性质是一样的,即当FeMn建立AFM相之后,Co的磁畴由大尺寸变为小尺寸,同时Co薄膜的易轴与原子台阶成45°;而对于非磁性相的fcc Fe薄膜,Co的磁化方向垂直于原子台阶,即使FeMn的AFM。相建立之后依然如此。实验证明FeMn/Co的界面相互作用确实来源于FeMn的自旋结构。
第九章中,我们通过MBE在Ag(100)的单晶衬底上外延了CoO/Ag/Fe三层单晶薄膜,并且利用了MOKE和XMCD研究了矫顽力(Hc)和交换偏置场(HE)随着Ag厚度的变化。区别于以往文献中报道的指数衰减行为相比,我们发现Hc和HE随着Ag的单晶薄膜层的厚度而发生振荡。通过增加薄膜的粗糙度,振荡的AFM/FM耦合行为逐渐变成单调递减行为,说明在过去的CoO/金属/铁磁层体系中没有观测到振荡耦合行为是由于CoO薄膜表面过于粗糙导致。通过对比CoO/Ag和Cr/Ag的两种界面,发现振荡耦合的峰位没有改变,揭示了绝缘性的CoO通过Ag和Cr间隔层与Fe的耦合行为相似。
第十章中,我们使用MBE在Vicinal的Ag(001)单晶衬底上生长了NiO/Ag/CoO/Fe的单晶薄膜,采用X-PEEM测量了该体系面内磁性相图。实验发现经过零场冷却至100K,在CoO比较薄的位置面内Fe的磁化方向从平行于原子台阶方向偏转至垂直于原子台阶方向,而在CoO比较厚的位置Fe的磁化方向依然保持平行于原子台阶方向。CoO和NiO的磁畴图像表明CoO/Fe以及NiO/CoO的自旋均为90°耦合,说明面内Fe的自旋取向可能与CoO的自由转动自旋相到冻结自旋相的过渡相关。
最后是对工作的总结以及未来工作的展望。