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掺铌SrTiO_3中的逆自旋霍尔效应

物理学报 2019年第10期68卷 206-210页

作者：何冬梅彭斌张万里张文旭电子科技大学电子科学与工程学院电子薄膜与集成器件国家重点实验室成都611731

采用磁控溅射法在未掺杂和掺杂的SrTiO_3基片上沉积了NiFe薄膜,通过翻转测试法分离出掺杂样品中的自旋整流电压和逆自旋霍尔电压.研究结果表明:在未掺杂的SrTiO_3基片中,翻转前后测试的电压曲线基本一致,为NiFe薄膜自旋整流效应产生的电... 详细信息

采用磁控溅射法在未掺杂和掺杂的SrTiO_3基片上沉积了NiFe薄膜,通过翻转测试法分离出掺杂样品中的自旋整流电压和逆自旋霍尔电压.研究结果表明:在未掺杂的SrTiO_3基片中,翻转前后测试的电压曲线基本一致,为NiFe薄膜自旋整流效应产生的电压.对于掺Nb浓度x为0.028, 0.05, 0.1, 0.15, 0.2的SrTiO_3基片,分离出的逆自旋霍尔电压随掺杂浓度增加而减小,在掺杂浓度为0.15和0.2的样品中没有探测到明显的逆自旋霍尔电压.本文的结果表明,在SrTiO_3中掺入强自旋轨道耦合的杂质,通过掺杂浓度可以实现对SrTiO_3中逆自旋霍尔效应的调控,这类可调控的自旋相关研究为自旋电子器件的研究和开发提供了更多的可能性,具有很大的潜在应用价值.

关键词：掺杂 SrTiO3 逆自旋霍尔效应

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导电氧化铋薄膜的逆自旋霍尔效应

中国材料进展 2021年第10期40卷 756-761页

作者：王孟怡邱志勇大连理工大学材料科学与工程学院三束材料改性教育部重点实验室辽宁省能源材料及器件重点实验室辽宁大连116000

自旋霍尔效应及其逆效应作为自旋电子学中实现自旋-电荷转换的核心物理效应,对纯自旋流的产生、探测有着重要的应用价值,是自旋电子器件开发与应用的关键技术节点。对高自旋-电荷转换效率材料体系的探索与开发是该领域的核心课题。以导... 详细信息

自旋霍尔效应及其逆效应作为自旋电子学中实现自旋-电荷转换的核心物理效应,对纯自旋流的产生、探测有着重要的应用价值,是自旋电子器件开发与应用的关键技术节点。对高自旋-电荷转换效率材料体系的探索与开发是该领域的核心课题。以导电氧化铋薄膜为对象,研究其中的逆自旋霍尔效应。采用交流磁控溅射系统,使用氧化铋陶瓷靶制备了不同厚度的导电氧化铋薄膜,并与坡莫合金薄膜构成铁磁/非磁双层自旋泵浦器件,在该器件中首次观测并确认了导电氧化铋薄膜中逆自旋霍尔效应所对应的电压信号。通过逆自旋霍尔电压对氧化铋薄膜厚度的依存关系,定量地估算了氧化铋薄膜的自旋霍尔角及自旋扩散长度。通过提出一种新的具备可观测逆自旋霍尔效应的材料体系,不仅拓展了自旋电子材料的选择空间,也为新型自旋电子器件的设计和应用提供了思路。

关键词：氧化铋导电氧化物逆自旋霍尔效应自旋霍尔角自旋扩散长度自旋泵浦

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金属薄膜中的逆自旋霍尔效应

物理 2013年第1期42卷 49-54页

作者：毛奇赵宏武中国科学院物理研究所固态量子信息与计算实验室北京100190

自旋流的产生和测量是自旋电子学面临的重大挑战.逆自旋霍尔效应提供了对自旋流进行电学测量的有效手段.文章总结了近年来人们对金属薄膜中的逆自旋霍尔效应的研究,从非局域电注入、铁磁共振注入、声波共振注入和圆偏振光注入这四种不... 详细信息

自旋流的产生和测量是自旋电子学面临的重大挑战.逆自旋霍尔效应提供了对自旋流进行电学测量的有效手段.文章总结了近年来人们对金属薄膜中的逆自旋霍尔效应的研究,从非局域电注入、铁磁共振注入、声波共振注入和圆偏振光注入这四种不同的自旋流注入方式来介绍逆自旋霍尔效应的物理机制、实现方式和影响因素.

关键词：自旋电子学逆自旋霍尔效应铁磁共振圆偏振光自旋泵浦非局域自旋泵浦声波共振

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圆盘形双层膜系统中的交变逆自旋霍尔效应

山西大学学报(自然科学版) 2018年第4期41卷 751-757页

作者：马俊芳焦虎军山西大学物理电子工程学院

以铁磁体Py与顺磁金属Pt构成的圆盘形双层膜系统为研究对象,在垂直于界面的磁化建立后,沿盘面的激发场可以泵浦自旋流从铁磁体进入顺磁金属,由于逆自旋霍尔效应,发现系统中不存在直流电压,只存在交流电压。通过沿不同方向的测量可以区... 详细信息

以铁磁体Py与顺磁金属Pt构成的圆盘形双层膜系统为研究对象,在垂直于界面的磁化建立后,沿盘面的激发场可以泵浦自旋流从铁磁体进入顺磁金属,由于逆自旋霍尔效应,发现系统中不存在直流电压,只存在交流电压。通过沿不同方向的测量可以区分逆自旋霍尔效应诱致的交流电压和激发磁场自身诱致的交流电压。计算了逆自旋霍尔效应诱致的交流电压大小和激发磁场自身诱致的交流电压大小对外磁场的依赖性,发现在铁磁共振时,逆自旋霍尔效应诱致的交流电压大小达到最大,而偏离共振磁场后,交流电压大小很快衰减;而激发磁场自身诱致的交流电压大小随外磁场的增大而增加。其次,研究了在不同位相差下,在垂直于激发场方向总的交流电压大小对外磁场的依赖性,发现交流电压大小随着两者之间相位差的变化在共振点附近变化很明显;进一步在共振点附近,计算了总的交流电压大小对相位差的依赖性,发现相位为0时,交流电压达到最大;而相位为π时,交流电压达到最小。最后,文章还计算了交流电压大小对激发功率的依赖性,发现不同于直流电压与激发功率P成正比的情况,两种类型的交流电压都与P;成正比。

关键词：自旋流自旋泵浦自旋累积逆自旋霍尔效应

基于YIG/NM异质结的逆自旋霍尔效应的研究

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基于YIG/NM异质结的逆自旋霍尔效应的研究

作者：洪彩云电子科技大学

学位级别：硕士

巨磁阻效应的发现极大的改变了信息存储的容量,使得磁学的延伸-自旋电子学的研究被兴起。人们认识到,如果能自由地操控电子的自旋,将会引领下一次信息存储与通信技术的革命。自旋霍尔效应因其强大的纯自旋流产生能力而备受瞩目,现阶段... 详细信息

巨磁阻效应的发现极大的改变了信息存储的容量,使得磁学的延伸-自旋电子学的研究被兴起。人们认识到,如果能自由地操控电子的自旋,将会引领下一次信息存储与通信技术的革命。自旋霍尔效应因其强大的纯自旋流产生能力而备受瞩目,现阶段的研究在于弄清楚自旋霍尔效应的物理机制,并找到高效自旋流-电荷流转化效率的材料,以便应用于实际的自旋电子器件中。本论文在已有的研究基础上,通过自旋泵浦效应和逆自旋霍尔效应研究了两种Pt掺杂体系材料的自旋霍尔效应,提取出自旋霍尔角和自旋扩散长度,并且结合本征和非本征的自旋霍尔效应分析其自旋流-电荷流转化行为。首先,从磁矩进动的磁化动力学出发,唯象的理解磁矩进动的过程,为之后基于铁磁共振的自旋泵浦效应提供理论基础。进动的磁矩在FM/NM界面传递角动量,形成自旋积累,并在非磁性层中产生自旋流,其表现为体系阻尼系数的增加。目前还没有方法能够直接探测自旋流,而自旋霍尔效应的逆效应则提供了间接的探测方法。自旋流由于非磁性层中自旋轨道耦合的作用,转化电压信号而被探测。其次,通过自主搭建的FMR-ISHE测试系统研究了纯Pt、PtBi合金以及PtW合金中的逆自旋霍尔效应。从铁磁共振得到界面自旋混合电导,其与体系的自旋轨道耦合强度有一定的正比关系。分离出电压信号中ISHE贡献的分量和由界面处微量的磁性Pt贡献的AHE分量,解析ISHE电压信号中包含的各种分量,并根据不同厚度样品的ISHE电压信号提取出自旋霍尔角和自旋扩散长度。最后,结合自旋霍尔电阻率的方法,分析出合金体系中本征和非本征自旋霍尔效应的贡献。PtBi合金中,当Bi含量低于8%时,增加的自旋霍尔电阻率主要由Bi杂质的斜散射贡献,并且与自旋轨道耦合强度呈正比,其自旋霍尔角由纯Pt的4.9%提升到PtBi(8%)合金的10.6%。在Pt W合金中,W含量低于25%时,自旋注入效率随着W浓度升高而降低,自旋霍尔角降低到0.7%,其自旋霍尔电阻率的减少源于Pt与W的自旋轨道耦合作用对相同自旋方向电子的相反作用,以W杂质的侧向跳跃散射为主导。

关键词：铁磁共振自旋泵浦效应逆自旋霍尔效应自旋斜散射侧向跳跃散射

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温度相关的自旋泵浦—逆自旋霍尔效应研究

温度相关的自旋泵浦—逆自旋霍尔效应研究

作者：李白雪电子科技大学

学位级别：硕士

随着科学技术的快速发展,各种电器设备均向小型化、集成化、便携式方向发展,传统的半导体器件越来越不能满足人们的需求,而利用电子自旋特性作为能量和信息载体的自旋电子器件具有极低的功耗损失、储能密度大、响应速度快等各种优良的特... 详细信息

随着科学技术的快速发展,各种电器设备均向小型化、集成化、便携式方向发展,传统的半导体器件越来越不能满足人们的需求,而利用电子自旋特性作为能量和信息载体的自旋电子器件具有极低的功耗损失、储能密度大、响应速度快等各种优良的特点,引起了国内外科学家广泛的关注和大量的研究。自旋泵浦-逆自旋霍尔效应作为近几年自旋电子学发现的新效应,研究它的影响因素对于制作自旋电子器件是很有帮助的。本论文就是利用自旋泵浦-逆自旋霍尔效应来作为自旋流的产生和检测手段,采用上下垂直翻转样品的方分离自旋整流电压V和逆自旋霍尔电压V。本论文首先研究了双层FM/NM铁磁性薄膜非磁性NM层厚度对自旋泵浦-逆自旋霍尔效应的影响。NM层的厚度分别为2nm、4nm、6nm、8nm以及10nm,研究材料各种磁学参数以及分离出的自旋整流电压V和逆自旋霍尔电压V随着NM层厚度增加的变化趋势。研究发现随着NM层厚度的增加,铁磁共振线宽(35)H和铁磁共振场H都是呈现逐间增加的趋势,分离得到的自旋整流电压V和逆自旋霍尔电压V则是呈减小趋势,而通过公式得到的磁学参数阻尼系数?随着NM层厚度的增加从0.078增加到0.095,磁各向异性场H的绝对值会随着NM层厚度的增加从14.2Oe增加到28.6Oe,但饱和磁化强度M则是随着NM层厚度的增加从5106.3Gs减小到4818.8Gs。本论文重点研究了双层FM/NM铁磁性薄膜样品在不同温度下的自旋相关效应。测试温度从80K增加到420K,包含了低温和高温,研究发现在低温80K-300K区间内,材料各种参数随着温度的增加变化趋势不明显,基本为常数;在高温300K-420K温度范围内,各种参数随着温度的增加具有一定的规律,这说明低温对于自旋泵浦-逆自旋霍尔效应的影响不大,高温会对自旋泵浦-逆自旋霍尔效应有一定的影响。研究发现双层FM/NM铁磁性薄膜样品在温度从300K增加到420K时,它的铁磁共振线宽(35)H和铁磁共振场H都是逐渐增大的,磁学参数阻尼系数?从0.067增加到0.071,而饱和磁化强度M和磁各向异性场H的绝对值随着温度的增加分别从4706.5Gs减小到4434.5Gs,21.5Oe减小到18.5Oe。本论文还研究了三层铁磁性薄膜Ta/NiFe/Ru样品温度对自旋泵浦-逆自旋霍尔效应的影响,研究发现它与双层FM/NM铁磁性薄膜样品发现的温度规律特性类似。

关键词：铁磁共振自旋轨道耦合作用逆自旋霍尔效应自旋泵浦

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掺杂STO的逆自旋霍尔效应的研究

掺杂STO的逆自旋霍尔效应的研究

作者：何冬梅电子科技大学

学位级别：硕士

随着自旋电子学的发展,非磁性金属以及各种合金材料中的ISHE被广泛研究。具有功耗低、存储密度大、响应速度快等一系列优势的自旋电子学器件也引起了大量的关注。本文通过自旋泵浦-逆自旋霍尔效应的方法来产生和检测自旋流。在已有基础... 详细信息

随着自旋电子学的发展,非磁性金属以及各种合金材料中的ISHE被广泛研究。具有功耗低、存储密度大、响应速度快等一系列优势的自旋电子学器件也引起了大量的关注。本文通过自旋泵浦-逆自旋霍尔效应的方法来产生和检测自旋流。在已有基础上研究了V信号的测试方法。然后对掺杂STO中的ISHE进行了相关研究,掺杂STO中这种可调控的自旋流-电荷流转化为自旋电子学器件的进一步发展提供了更多可能。本文首先研究了单层NiFe薄膜中,薄膜宽度与V信号的关系,发现当薄膜长度为8 mm,宽度为40μm时,V信号弱到低于检测限度,然后采用磁控溅射法在SiO基片和掺杂STO基片表面分别沉积了宽度为40μm的NiFe/Ta双层薄膜和NiFe薄膜。对于NiFe/Ta双层膜,这种将V信号降低到低于检测限度的方法能够直接测得该样品两端呈对称线型的V信号,测试结果也表明,这种测试方法对于特定尺寸的FM/NM双层膜结构广泛适用,针对这种长条型双层膜结构提出了一种串联的方法来有效增加所测得的V信号强度,并在实验中得到了证实。在研究NiFe/Nb:STO双层结构中将V信号降低到低于检测限度的这种方法时发现,当NiFe宽度为40μm时,能有效降低所测得的V信号强度,但是由于掺杂STO基片的导电性,导致NiFe/Nb:STO双层结构中的V信号不能完全消除,测得的电压信号中仍含有明显的反对称分量,因此,介绍了广泛用于FM/NM双层膜中分离V和V信号的翻转测试法,这种方法也能很好的适用于NiFe/Nb:STO双层结构,所以在后面的研究中均采用翻转测试法实现对NiFe/Nb:STO双层结构中V和V信号的分离。本文重点研究了掺杂STO中的ISHE。采用磁控溅射法在未掺杂和掺杂的STO基片表面沉积了NiFe薄膜,通过翻转测试法分离得到V信号和V信号随外加磁场的变化曲线。研究结果表明,在未掺杂的STO基片中,翻转前后测试得到的电压曲线基本一致,为NiFe薄膜SRE所产生的V,对不同频率下V曲线进行拟合,可以得到NiFe薄膜的有效饱和磁化强度4πM为7694 Gs,磁各向异性场H为3.5 Oe,阻尼系数α为0.018。对于不同掺Nb浓度的样品,在掺杂浓度为0.015、0.028、0.05以及0.1的样品中探测到了明显的自旋流-电荷流之间的转化,而且V的幅值随着掺杂浓度的增加而逐渐减小,在掺杂浓度为0.15、0.2以及0.25的样品中则没有探测到明显的V,翻转前后测试曲线一致,均为V。此外,研究了不同频率下V和V信号幅值之间的关系,发现它们随频率的变化趋势基本一致,说明它们随频率的变化是由测试夹具引起而与样品本身无关。此外,通过对不同掺杂浓度样品的V曲线进行拟合可以得到对应样品的磁学参数,它们的有效饱和磁化强度4πM均在7600 Gs左右,H均在4 Oe左右,探测到V的样品的阻尼系数α均大于没有探测到V的样品。最后,对不同掺杂浓度的样品进行了磁场热处理,结果表明,退火能有效改善薄膜的磁性能,但是对电荷流-自旋流转换则没有本质的影响。

关键词：掺杂铁磁共振自旋泵浦效应逆自旋霍尔效应

基于微波谐振腔的逆自旋霍尔效应与电子顺磁共振测试研究

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基于微波谐振腔的逆自旋霍尔效应与电子顺磁共振测试研究

作者：张晓宇电子科技大学

学位级别：硕士

本文设计了谐振频率9GHz的TE模式谐振腔,并搭建了电子顺磁共振(EPR)测试系统,并利用标样DPPH对系统的性能参数进行了评估和校准。并利用该系统研究了Nb掺杂SrTiO中的逆自旋霍尔效应。首先,本文根据EPR原理设计了测试系统,然后完成了磁... 详细信息

本文设计了谐振频率9GHz的TE模式谐振腔,并搭建了电子顺磁共振(EPR)测试系统,并利用标样DPPH对系统的性能参数进行了评估和校准。并利用该系统研究了Nb掺杂SrTiO中的逆自旋霍尔效应。首先,本文根据EPR原理设计了测试系统,然后完成了磁场系统和核心部件谐振腔的设计工作。利用HFSS高频电磁场仿真软件,确定了TE模式的谐振腔的结构参数并加工得到了黄铜材质的镀金谐振腔。谐振腔谐振频率为8.838 GHz,散射矩阵参数S为-20 dB,空载Q值为12000,符合设计目标。磁场系统由永磁体,直流线圈,交流线圈构成,可以提供的最大静态磁场为3400 Oe,最小扫场步长为0.036 Oe,能够完成对一般材料的未成对电子的EPR表征。利用DPPH标准样品对搭建的连续波EPR测试系统进行了标定,并研究了微波功率,调制磁场,时间常数等不同的系统参数对测试结果的影响。结果显示,谐振腔内的微波功率在9dBm至15dBm时,达到共振条件时系统测得EPR信号的幅值的平方正比于微波功率。当调制电流从0.1A增加至0.9A,EPR信号也随之增大,但EPR信号强度不与调制电流成比例增加,且EPR信号的线宽增加。计算后得到搭建的EPR系统的灵敏度为N=3.04×10(spins·Hz·Gauss)。工作频率为8.838GHz。利用搭建好的EPR测试系统研究了掺杂浓度对Nb掺杂SrTiO(Nb:SrTiO)的逆自旋霍尔效应的影响,其中Nb浓度为0,0.01%,0.015%,0.028%,0.05%,0.1%,0.15%,0.2%(质量百分数)。采用铁磁共振-自旋泵浦的方法将自旋从铁磁性的NiFe薄膜注入Nb:SrTiO中,测量了NiFe/Nb:SrTiO结构的逆自旋霍尔电压,并估算了自旋霍尔角。结果显示:当Nb掺杂浓度提高时,注入Nb:SrTiO的自旋增加,但自旋霍尔角从0.05减小到0,表明自旋与电荷转换效率降低。实验结果表明通过向SrTiO中掺入自旋轨道耦合较强的杂质Nb,Nb:SrTiO可获得逆自旋霍尔电压。通过改变掺杂浓度,可以实现对Nb:SrTiO的逆自旋霍尔效应的调控。

关键词：电子顺磁共振逆自旋霍尔效应微波谐振腔 Nb:SrTiO3 自旋霍尔角

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亚铁磁绝缘体的制备及其逆自旋霍尔效应研究

亚铁磁绝缘体的制备及其逆自旋霍尔效应研究

作者：臧如雪山东大学

学位级别：硕士

在过去的几年,传统微电子学中基于电子的电荷特性的研究取得了巨大的成就,然而随着科技的发展,传统电子器件的功耗与集成度问题使得其不能满足人们的需求。逐渐地,电子的另外一属性——自旋成为人们关注的焦点,自旋电子学也成为物理学... 详细信息

在过去的几年,传统微电子学中基于电子的电荷特性的研究取得了巨大的成就,然而随着科技的发展,传统电子器件的功耗与集成度问题使得其不能满足人们的需求。逐渐地,电子的另外一属性——自旋成为人们关注的焦点,自旋电子学也成为物理学中一条重要分支。如今人们已经掌握自旋流的产生以及自旋流传输和探测等技术,而在此基础上所研发的自旋电子学器件也有望替代传统微电子器件,在我们的生活中发挥巨大的作用,引领信息技术的风潮。其中,对于纯自旋电流,其产生、检测和利用自发现至今仍是自旋电子学的关注重点。与自旋极化电流相比,纯自旋电流具有使用最小电荷载流子传递大量角动量的独特属性,从而能够产生更少的焦耳热。自旋霍尔效应(SHE)、横向自旋阀、自旋泵浦(SP)和自旋塞贝克效应(SSE)等机制通常可以用作产生纯自旋流。在铁磁绝缘体中,通过带有自旋角动量的低能激发态的准粒子——磁子运动,可以进行信息的传输,同时可以避免由于传导电子的运动而产生焦耳热的影响,从而大大降低了器件的功耗。因此,通过铁磁性绝缘体中的一些机制来产生纯自旋流是极具吸引力的方法。为了检测自旋流,通过开发具有强自旋轨道耦合(SOC)的重金属(如Pt,W和Ta)而不是典型的高Z顺磁体等手段,成为现在自旋电子学研究的趋势。通过铁磁金属中的逆自旋霍尔效应是另外一种有效检测自旋流的手段。本论文的工作之一就是亚铁磁绝缘体TmIG靶材的烧结及其薄膜的生长和性能表征。我们选择利用硝酸融合烧结法而非传统的固相反应烧结工艺来烧制靶材,解决因了原材料融合不充分而产生非目标物质的问题,并且成功烧制出单位质量饱和磁化强度为15.4 emu/g高纯度两英寸TmIG圆柱形靶材。我们利用X射线衍射技术对靶材粉末进行性能测试,图像显示靶材成分为TmIG多晶。在此基础上,我们利用自烧结的靶材通过磁控溅射技术获得TmIG薄膜。通过AGM测量证实,TmIG薄膜的易磁化方向垂直于膜表面,并且每单位体积的饱和磁化强度为84.96 emu/cm3。本文的另外一项工作是通过在钇铁石榴石(YIG)/Cu/IrMn/NiFe多层结构中的自旋塞贝克测量观察铁磁金属中磁化方向依赖的ISHE。利用NiFe/IrMn交换偏置结构,在较小的磁场下,YIG薄膜中的磁化方向(MYIG)可以相对于NiFe的磁化方向(MNiFe)发生旋转。我们通过观察在NiFe层中依赖于磁化方向的逆自旋霍尔效应(ISHE)电压发现,当σs和MYIG彼此平行时的自旋塞贝克电压比当σs和MYIG彼此垂直时要高大约30%。

关键词：亚铁磁性绝缘体自旋塞贝克效应逆自旋霍尔效应磁控溅射 TmIG YIG