拓扑绝缘体自旋阀及磁传感新原理器件的研究

发布时间：2020-08-08 03:41

【摘要】：电子信息时代,电子材料日新月异,器件推陈出新。电子器件速度快、能耗低、体积小等特性成为研究追求的目标。然而当晶体管尺寸进一步减小,电流产生的热耗散问题难以解决,量子隧穿效应开始显著,摩尔定律逐渐失效。利用电子的另一属性——自旋有望解决热耗散和漏电的难题,实现新型高速、低功耗、非易失晶体管。本论文主要研究对象是拓扑绝缘体的自旋阀及磁传感新原理器件。我们聚焦于拓扑绝缘体表面态的自旋动量锁定,研究其在自旋电子学中的自旋电学器件应用。选取拓扑绝缘体的原因在于一下几点:拓扑绝缘体有着高迁移率,低功耗,背散射几率小等基本性质,在电学上具有一定的应用前景。而且拓扑绝缘体是类似于石墨烯层状材料,我们可以降低它的维度,来满足器件日渐小型化的需求。另外拓扑绝缘体表面态独特的自旋性质——自旋动量锁定,有望实现对传统铁磁性材料的颠覆。传统的铁磁性材料需要磁场来实现自旋极化,而在拓扑绝缘体中自旋极化完全是电学实现的。这使得拓扑绝缘体更适用于大规模电学逻辑电路的应用。主论文主要介绍了拓扑绝缘体中表面态基本磁输运性质、拓扑绝缘体自旋阀器件,拓扑绝缘体相变体系的输运研究及这些器件在磁传感中潜在的应用。本论文研究成果可总结为如下三个部分:(1)基于BiSbTeSe_2拓扑绝缘体的新型自旋阀晶体管。高迁移率的拓扑绝缘体样品BiSbTeSe_2(～4039 cm2V-1s-1)是实现新型自旋阀器件中电流开关功能的基本保障。在拓扑绝缘体自旋阀中,扫磁场以改变Ni21Fe79电极的磁化方向时,我们的自旋阀晶体管的输出表现出了一种明显的台阶状的行为。最重要的是,当反转直流电流的方向时,开(低阻)关(高阻)状态甚至可以切换。基于拓扑绝缘体的自旋电子管晶体管,可以通过改变电流方向来切换开关状态。因此适用在磁性传感器和自旋逻辑电路上,并且拓扑绝缘体有潜力作为创新的电流驱动的自旋发电机。(2)拓扑绝缘体的拓扑量子相变引起了凝聚态物理和未来器件应用的高度关注。通过In的掺杂,在(Bi0.92In0.08)_2Se_3中实现了拓扑量子相变,并研究了拓扑临界点附近的单晶输运特性。在低场(3T)下,依据洛伦兹定律,单晶的平均迁移率达到～1000cm2V-s-1,并且保持到50K。2K下,从～5T开始出现明显的量子振荡,揭示了单晶中的迁移率高达～1.4×104 cm2V-1s-1。朗道范图中接近π的贝利相位证明了拓扑狄拉克费米子的存在。该特性使(Bi0.92In0.08)_2Se_3成为拓扑绝缘体量子相变研究的一个合适的平台。(3)基于x = 0.08的组分,非磁性(Bi1-xInx)_2Se_3的三维全空间矢量磁传感原理性器件。面内(a-b)的负磁阻呈现出一个哑铃形,具有二重对称性。垂直场(c)下呈现出大的正磁阻。2K温度下,3个方向的磁阻比大约为-3%(a):-1%(b):300%(c)。通过对厚度和组分相关的磁传输测量,我们推断在拓扑临界点附近,由于拓扑相变,体的带隙减小,上下表面耦合增强,从而产生了奇异的磁电阻现象。现象在室温下仍然存在,因此在新型室温自旋电子学领域有着潜在的应用,例如,矢量磁力传感器。
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP212
【图文】：

橘子,亏格

应开始出现，摩尔定律渐渐失效［１－３］。为了应对这些困难，人们提出了三个方向：逡逑１、发展新的材料和器件；２、构筑新的电路架构和封装；３、开发新的计算范例，逡逑如图１．１－１所示（１），总结如下［１］。逡逑Ｎｅｗ邋ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｓ邋ａｎｄ邋ｐａｃｋａｇｉｎｇ逡逑图Ｕ－ｌ新的器件、计算和架构［１］。逡逑自旋电子学（Ｓｐｉｎｔｒｏｎｉｃｓ），是一种新兴的学科和技术。它利用电子的自旋自逡逑由度，使晶体管中除了电荷输运外，还另外引入电子的自旋。１９８８年巨磁阻和逡逑１９９５隧道磁电阻的发现，推动了磁存储产业的发展。目前硬盘磁头是自旋电子逡逑１逡逑

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图１．２－２⑷电子在绝缘体中的运动示意图。（ｂ）绝缘体能带结构图。（ｃ）量子霍尔态中电子逡逑运动示意图。（ｄ）量子霍尔态朗道能级示意图。逡逑整数量子霍尔效应发现于二维电子气体系中，当系统处于低温和强磁场的环逡逑境下，样品的边缘形成导电的一维通道。对于整数量子霍尔效应，电子轨道在强逡逑磁场下是一个个封闭的圆环。由于轨道的量子化，因此能级是离散的值：匕＝逡逑＋逦叫＝ｅＢ／ｍ是回旋频率。这些分立的能级被称为朗道能级［７］，此时逡逑材料中的电子沿着封闭的圆形轨道运动，如图１．２－２所示。逡逑然而与绝缘态不同的是，量子霍尔态存在一维的导电边缘态，称为手性边缘逡逑态。每一个边缘的通道，载流子只按一个方向流动，减小了损耗。量子霍尔电导逡逑的大小直接和样品中边缘的通道数关联起来（0＾＝４），ｅ是电子电荷，Ａ是普逡逑朗克常数，因此产生了量子化的霍尔电导［４，８］。ｖ被称为填充系数，对于整数量逡逑子霍尔效应的话，ｖ可以取１，２，３，．．．。２００７年，Ｎｏｖｏｓｅｌｏｖ等人在二维超高迁移率逡逑的狄拉料——单层石墨烯中，在室温下现了整数量子霍尔效应９，如图逡逑

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＾和／＾随栅压的变化。我们可以看见量子化的霍尔平台。插图是狄拉克子化的朗道能级示意图。逡逑物理学家发现整数量子霍尔效应归结于体能带非平庸的拓扑性学上拓扑分类的概念描述了整数量子霍尔态。１９８２年，Ｔｈ

【参考文献】