碳纳米管场发射自旋电子源的研究

作     者：郭万国 

作者单位：中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所） 

学位级别：硕士

导师姓名：宋航

授予年度：2013年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

主      题：自旋 TMR MTJ 碳纳米管 场发射 

摘      要：电子既是电荷的载体，也是自旋的载体，人们利用电子的“自旋属性实现信息存储领域的新一次革命。1997年，首个应用巨磁电阻（GMR, Giant MagnetoResistance）效应的磁效应随机存储器(Magnetic Random Access Memory)获得成功，2007年法国科学家和阿尔贝.费尔和德国科学家彼得.格林贝格尔因发现巨磁电阻效应而荣获诺贝尔物理学奖，随着巨磁电阻感应器和自旋晶体管等自旋器件在基础理论和应用技术上的都取得了重大进展，系统的自旋电子学理论和应用研究逐渐成为当前电子信息科学与技术领域的热点。 本论文主要开展高性能自旋极化电子源的制备、表征和性能研究。高性能自旋极化电子源是获得高密度自旋极化电子流的基础，也是实现自旋电子器件功能的重要途径。目前，人们获得自旋极化电极的途径主要是隧磁电阻(TMR,Tunnel Magneto Resistance)效应的磁性多层膜结构。电子在通过具有TMR效应的电极时会产生自旋极化，而电子的自旋极化度与电极的TMR效应是密切相关的。电极的TMR效应越大，最后我们可以获得电子的自旋极化度就越高。所以，制备具有高TMR效应的自旋极化电极就成为本论文研究的重点。 本论文中通过磁控溅射和离子束溅射制备出NiFe、Co等自旋极化电极，通过磁控反应溅射获得Al2O3绝缘层。研究中发现样品的生长参数如生长时间、离子束能量，反应气体流量，退火时间等，对样品的厚度和性能具有重要的影响。通过一系列的实验，我们通过控制薄膜生长时间、溅射的离子束能量等生长参数，实现对薄膜厚度的精确控制，并获得厚度为纳米量级的高质量的薄膜。 在此基础上，本研究设计了磁隧道结(MTJ, Magnetic Tunneling Junctions)的结构并确立了具体结构参数。通过低温和不同磁场下的测试，结果表明，所获得的MTJ具有明显的双矫顽力现象，并且在20K下，TMR最大值达到22.7%，并在室温下获得了最大值8%的TMR值，同时研究表明平整的界面以及对样品进行一定温度的退火可以有效的提高MTJ的性能。 此后，采用热CVD法制备碳纳米管（Carbon Nano Tubes），并采用丝网印刷制备法在将CNTs制备在已获得的MTJ表面。丝网印刷法制备的碳纳米管场发射电子源不会破坏自旋电极，但由于印刷法制备的碳纳米管取向和分布是随机的，所以有些输运机制还需要继续研究，本研究中最后采用丝网印刷法制备出碳纳米管场发射自旋电子源原理型器件。