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半导体和有机物材料的自旋注入研究

高雪  
【摘要】:半导体自旋电子学领域的研究可以将半导体与磁性材料的优势结合在一起。甚至可以在单个芯片上集成存储,检测,逻辑和通信等不同的功能。氮化镓(GaN)是具有高热稳定性的宽带隙半导体,通常被用于光电,高频和高功率微电子领域。GaN具有弱的自旋轨道相互作用,并且具有较长的自旋弛豫时间,这使得GaN成为一种非常适合半导体自旋电子学研究的材料。与无机自旋电子器件相比,有机自旋电子器件也非常吸引人,因为有机材料的电荷载流子的自旋寿命长,而且其成本相对较低,并且具有柔性和化学多样性。近年来,关于半导体自旋电子学和有机自旋电子学的研究引起了人们极大的兴趣。在本论文中,我们研究了包含砷化铟(InAs)/砷化镓(GaAs)量子点和铟镓氮(InGaN)/GaN量子阱的自旋发光二极管(Spin-LED)中的自旋注入。此外,我们还研究了有机多铁性隧道结的铁电性能。首先,我们研究了包含单层p掺杂InAs/GaAs量子点(QD)的spin-LED,在零施加磁场下,其发射光的圆偏振度(Pc)高达18%。与偏置电压的依赖关系表明,在10K时,偏置电压为2.5V(对应于6μA)时,自旋偏振度达到最大值。此外,温度对Pc也有很强的影响,在60K-80K温度范围前后Pc有显著变化。最后,我们从辐射复合时间τr和自旋弛豫时间τs之间的竞争关系讨论了偏振度与偏压和温度的依赖关系。对p掺杂InAs/GaAs QD spin-LED的自旋弛豫机制的理解有助于进一步提高spin-LED的器件性能。另外,我们在GaN上实现了具有垂直磁各向异性的自旋注入结的外延生长,并研究了 GaN spin-LED的自旋注入过程。我们研究了 Fe/MgO和Co/MgO两种自旋注入结。首先,通过使用原位反射式高能电子衍射仪和原子力显微镜研究了温度对MgO生长的影响。然后,我们研究了 Fe或Co在MgO/GaN上的生长。与Fe/MgO相比,Co/MgO自旋注入结具有明显的垂直磁各向异性。此外,我们通过第一性原理计算来了解Co/MgO(111)界面上的垂直磁各向异性的起源。最后,在n-i-p型GaNLED结构上生长了 Co(0001)/MgO(111)自旋注入结并制备了 GaN spin-LED器件。然而,在偏振分辨的电致发光谱测量中未检测到圆偏振光发射。这可能是由于在Co/MgO界面处形成的氧化层或是由于未优化的GaN LED结构导致。最后,我们研究了基于掺杂有四氧化三铁(Fe3O4)纳米颗粒的聚偏二氟乙烯(PVDF)势垒的有机多铁性隧道结。有机多铁性隧道结最近吸引了很多关注,因为它们可以结合自旋电子学,有机电子学和铁电电子学的优点。我们成功地制备了La0.6Sr0.4MnO3/PVDF:Fe3O4/Co有机多铁性隧道结,结果表明,在PVDF势垒层中加入Fe3O4纳米颗粒可以显著改善该有机多铁性隧道结的铁电性能。PVDF:Fe3O4基有机多铁性隧道结在10K时显示出约450%的高隧穿电致电阻(TER),是纯PVDF基有机多铁性隧道结的6倍。此外,两种极化态之间的高能量势垒(14meV)保证了含有Fe3O4纳米颗粒的有机多铁性隧道结具有更好的热稳定性,即使在室温下也能保持100%的TER。含有PVDF:Fe3O4纳米复合材料的有机多铁性隧道结的铁电性能的提高将促进有机多铁性隧道结在记忆电阻器和自旋电子学中的应用。


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