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氧化石墨烯二维/铁磁薄膜磁异质结自旋相关器件研究

宁柯瑜  
【摘要】:近年来,二维材料因其独特的物理、化学、电子等性能,受到越来越多的关注。尤其是石墨烯的成功制备和深度的发展,在自旋电子学、材料学、半导体领域和微纳米技术领域对二维纳米材料的研究已经成倍增长。正是由于独特的性能,石墨烯可应用在电子、光、能量储存和生物医学等多种应用场景。氧化石墨烯是石墨烯研究的重要分支之一,因为在石墨烯的结构上出现了官能团,氧化官能团影响其物理和电学性质,由此引伸出众多实际的应用场景。本文基于氧化石墨烯的生长制备、检测、性能探究以及器件研究为主题,选择“氧化石墨烯二维材料/铁磁薄膜异质结自旋相关功能器件的研究”,主要从事以下几个方面的研究:第一,氧化石墨烯二维材料的生长制备。传统二维材料的生长方式并不完全适用于氧化石墨烯,本文采取了一种新的生长方式。本文基于超声辅助喷雾沉积的方式,此方法可以实现氧化石墨烯的高度可控沉积。选择合适浓度的氧化石墨烯分散液,通过超声雾化技术,容器底部的分散液被气流携带到预热的基底上。通过改变沉积的时间可以在衬底上获得具有不同厚度的氧化石墨烯单层或多层膜。该方法对生长的氧化石墨烯完全可控,包括厚度、面积和质量,是目前最为适用的方式。第二,探究垂直各向异性的磁塞贝克效应。在生长氧化石墨烯之前先探究垂直各向异性的生长方式及特点。本文采用CoFeB/Mg(Al)O的结构生长制备出可用的具有垂直各向异性的样品。磁塞贝克与CoFeB和MgO的界面处的状态有关,通过磁塞贝克探究氧化石墨烯生长前基底的性能,为后续测量打下基础。生长的方式是利用磁控溅射,探究不同厚度、不同材料及气压、功率等条件,达到可用的状态。第三,探究氧化石墨烯对垂直各向异性的影响。具有垂直磁各向异性的磁隧道结已被广泛研究,因为它们可能缩小存储单元的尺寸和增强热稳定性。大型垂直磁各向异性是磁性随机存取存储器的一个基本元素。目前,已有几种基于石墨烯的垂直磁各向异性自旋电子器件被证明。然而,氧化石墨烯膜对界面垂直磁各向异性的影响尚未得到证实。本文从实验和理论两个方面研究了氧化石墨烯薄膜对磁各向异性的影响。第四,在以上研究的基础上进一步探究电压调控器件。基于电流磁化感应的纳米器件已经取得了显著的改进,但是仍然想寻找更优异的方式来调控磁矩。研究发现通过电场来调控,可以进一步降低功率。比如在自旋转移力矩器件中,通过自旋极化电流的磁化转换不可避免地会产生焦耳热。而在电场转换的情况下,仅需要提供足以对电容器充电/放电的电荷。这不仅减少了100倍的能量消耗,使得与现在的半导体场效应晶体管相当,并且增加了非易失性功能。所以磁场的电场调控不仅因为其技术重要性,而且能够发现电流调控等难以达到的性质。最后利用异常霍尔效应来表征图形化后的样品在电场下的磁学特性。探究在有无氧化石墨烯的情况下,样品电压调控的影响。


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