Co與ZnO半導體等復合膜磁電阻效應及自旋注入的研究.pdf

1、自從在Fe/Cr金屬多層膜中發(fā)現(xiàn)巨磁電阻效應以來，人們在磁性金屬/非磁性材料的多層膜、顆粒膜和磁性隧道結中都相繼發(fā)現(xiàn)了磁電阻效應，而且其在磁傳感器、計算機讀頭及磁隨機存儲器等自旋電子器件上得以廣泛應用。相對于金屬/絕緣體薄膜而言，以半導體為勢壘來研究磁電阻效應的報道卻很少，半導體材料具有較低的勢壘高度，能顯著降低材料的電阻率，同時通過增加半導體的厚度，可以有效減少針孔效應的發(fā)生。盡管已有文獻報道了磁性金屬/半導體薄膜的室溫磁電阻效應，但

2、如何進一步提高磁電阻的數(shù)值和磁電阻效應的產(chǎn)生機制等有待進一步探究。
　　 本論文采用磁控濺射超薄分層交替沉積的方法，室溫下制備了Co/ZnO等薄膜，對薄膜的結構、磁性、磁電阻效應及金屬/半導體界面的自旋電子注入進行了研究。①比較了Co/ZnO與Co/Al2O3、Co/C和Co/Cu薄膜的結構和磁電阻效應，探明Co/ZnO薄膜磁電阻效應的來源；②通過在ZnO中加入少量Al來提高薄膜的磁性和磁電阻效應；③在Co/ZnO薄膜中發(fā)現(xiàn)了磁

3、電阻效應對其電阻的依賴關系。主要研究內(nèi)容如下：
　　 (1)采用固定Co層厚度(0.6 nm)，改變ZnO層厚度(0.4-3.0 nm)的方法制備了Co/ZnO薄膜，發(fā)現(xiàn)薄膜形成了Co納米顆粒包裹在ZnO半導體中的顆粒膜結構，薄膜中有少量Co2+取代了ZnO中的Zn2+離子；同時薄膜的室溫和低溫負磁電阻值分別達到11.9％和26％，薄膜電阻與溫度間的lnp與T-1/2線性關系說明薄膜的磁電阻效應來源于磁性納米顆粒間電子自旋相關的

4、隧穿輸運機制；而高溫時lnp與T-1/2發(fā)生微小的非線性偏離說明溫度的升高使自旋無關的高階跳躍輸運逐漸增多；薄膜低溫時磁電阻效應的加強源于自旋相關的高階隧穿。
　　 (2)通過對Co/ZnO、Co/Al2O3、Co/C和Co/Cu薄膜結構和磁電阻效應的對比研究，發(fā)現(xiàn)四種不同基質(zhì)材料的薄膜均形成了Co顆粒包裹在非磁性基質(zhì)中的顆粒膜，隨基質(zhì)材料與金屬Co表面能差的增加，薄膜中Co顆粒尺寸逐漸減小；金屬Co和半金屬C之間較大的電導失配

5、使Co/C薄膜沒有室溫磁電阻效應；在Co/ZnO薄膜中金屬Co顆粒使部分ZnO中的電子極化，較大的室溫磁電阻效應可能與Co顆粒與ZnO基質(zhì)界面處部分極化的電子有關。
　　 (3)采用磁控濺射方法在ZnO中摻入金屬Al制備了Co/ZnAlO(Al：2at.％)薄膜，發(fā)現(xiàn)Co/ZnO與Co/ZnAlO薄膜均形成了磁性納米顆粒包裹在半導體中的顆粒膜，薄膜的磁性來源于金屬Co顆粒以及Co顆粒與半導體基質(zhì)界面處的梯度磁性半導體；在Co/Z

6、nAlO薄膜中獲得12.3％的室溫負磁電阻值，這是目前為止在磁性金屬/半導體薄膜中得到的最大室溫負磁電阻值；Al的加入使Co/ZnAlO薄膜的磁性和室溫磁電阻效應同時提高，磁性的增加是由于Al的加入增加了薄膜中載流子濃度，從而增強了磁性半導體的磁性；磁性半導體磁性的增加使其對傳導電子的自旋過濾效應增強，提高了Co/ZnAlO薄膜的室溫磁電阻效應和自旋電子注入效率。
　　 (4)通過改變?yōu)R射氣壓和ZnO厚度等一系列實驗條件制備了C

7、o/ZnO薄膜，通過大量實驗數(shù)據(jù)系統(tǒng)分析發(fā)現(xiàn)Co/ZnO薄膜室溫磁電阻效應對其電阻具有明顯的依賴性，當1300Ω