（凝聚态物理专业论文）ge基和zno基磁性半导体的磁性与输运研究.pdf

山东大学博士学位论文 中文摘要 自旋电子学是当今凝聚态物理、信息科学及新材料等诸多领域共同关注的 研究热点，它主要研究与电子的电荷和自旋密切相关的过程，包括自旋源的产 生、自旋注入、自旋传输、自旋检测及自旋控制，其最终目标是实现新型的自 旋电子器件。由于其引导出全新的信息处理和存储模式，大大提升信息处理的 能力而具有非常广阔的应用前景。为实现自旋电子器件，首先需要在材料中产生 自旋极化电流。产生自旋极化电流的方案有很多种，利用磁性半导体注入自旋 极化电流就是其中主要方案之一，因此磁性半导体倍受人们关注，成为自旋电 子学领域中的研究热点。 磁性半导体通常是通过对i i i v 族、i i v i 族和i v 族化合物或单质半导体进 行过渡族金属元素掺杂得到的。m n 掺杂g a a s 是研究最多且研究最为细致的体 系，其居里温度目前可达1 8 5 k 。其磁性源于载流子( 空穴) 诱导的铁磁性交换 相互作用，即掺杂的m n 离子之间通过空穴为媒介产生铁磁交换作用从而产生 宏观自发极化。然而，由于其居里温度仍太低而无法在室温应用。因此，寻找 居里温度在室温或高于室温的磁性半导体材料成为应用研究的热点问题。理论 预言，g e 基磁性半导体的居旱温度可达4 0 0 k 以上，z n o 基磁性半导体居里温 度也可达3 0 0 k 以上。此外，作为半导体本身，g e 与目前成熟的s i 基半导体工 艺相兼容，z n o 在半导体发光材料、压电材料、透明导电膜中有着广泛的研究 和应用，因此，g e 基和z n o 基的磁性半导体受到了人们极大的关注! 从目前已有研究工作来看，g e 基和z n o 基磁性半导体都普遍存在一系列 亟需克服的问题，比如：样品的性质往往依赖于制备方法及生长工艺，各个样 品的磁性表现不相一致，对铁磁性起源没有统一的解释等等。针对这些问题， 我们将采用低温分子束外延和将样品制备成非晶相两种实验制备方法，来研究 g e 基和z n o 基的磁性半导体。其中由低温分子束外延制备出的单晶样品因其 在结构上的单一性和在成分上的纯净性，可以有效避免铁磁性杂质相或沉淀物 对样品铁磁性来源的干扰，更有利于分析其磁性起源等问题；而非晶相的方法 则是从应用角度出发，通过提高铁磁性金属元素溶解度来提高居旱温度和磁化 山东大学博士学位论文 强度。本论文的工作包括制备单晶、非晶g e 基和z n o 基磁性半导体薄膜，研 究其磁性和输运性质，并对其相应的磁性起源与输运机理进行探讨。论文的主 要结果如下： 我们采用超高真空下的分子束外延法低温制备了g e l 嘱m n x ( x = 0 0 1 9 ，0 0 4 1 ， 0 0 5 1 ，0 0 7 2 ，o 1 0 5 ) 稀释磁性半导体薄膜，并研究了其磁性与输运特性。实时反 射高能电子衍射图像( r h e e d ) 和x r d 测量表明m n 含量x 低于o 1 0 5 时， g e l x m n 。薄膜保持单晶结构。5 k 下的磁滞洄线表明所有样品都具有铁磁性，此 外单晶薄膜中存在很强的磁各向异性，即磁化强度在薄膜平面内和垂直膜面有 很大区别，表明薄膜中存在很强的自旋轨道耦合作用。r - t 曲线表明薄膜的导 电性质属于半导体导电特性，并且低温区的输运符合e f r o s 变程跃迁。 g e o 9 4 9 m n o 0 5 l 薄膜的h a l l 效应测量结果显示其h a l l 效应由正常h a l l 效应和反常 h a l l 效应构成。反常h a l l 效应表明样品的铁磁性由载流子传递。随着温度的降 低，正常h a l l 效应的系数会发生变号。根据e m i n 的理论，在跃迁导电区产生 h a l l 效应的a h a r o n o v b o h m 环包含奇数个位时就会出现符号异常现象，考虑到 样品在低温区为跃迁导电，我们认为低温时在任意分布的三个局域m n 受主中 心之间的跃迁是反常h a l l 效应的来源，同时也是正常h a l l 效应变号的来源。 我们在三种不同导电类型( n 型、本征、p 型) 的g e 单晶衬底上，用分子束 外延法外延了g e l 。m a x 单晶薄膜，从而形成g e l 。m n ，g e 异质结，并研究了异 质结整流特性以及外加磁场对其整流特性的影响。研究表明，所有结样品都具 有整流效应，其中p n 结的整流特性最好，p p 结通过的电流密度最大，而磁场 对p i 结的调控最明显。此外在一结中观察到了正磁电阻，其值随着温度的升 高在2 2 5 k 出现一个极大值，结合能带填充效应和磁场致使波函数收缩效应对 实验结果做出较为合理的解释。 我们利用分子束外延设备的超高真空和样品台的低温生长环境在液氮冷却 的玻璃衬底上制备了高m a 浓度的g e l x m n x ( x = o 3 9 ，0 5 2 ，o 6 6 ，0 7 9 ) 非晶磁性半 导体薄膜，并研究了其磁性与输运方面的性质。所有样品在5 k 下的磁滞洄线 表明铁磁性与顺磁性并存于样品之中。g e o 4 8 m n o 5 2 薄膜的居里温度可高达 2 2 0 k 。在x = 0 6 6 与o 7 9 的样品中都观察到了交换偏置现象，结合薄膜相应的 结构特性，此现象可能来源于贫m n 区的铁磁性相与富m n 区和m n l l g e 8 反铁 磁性相之问的反铁磁交换耦合作用。样品的导电性质为半导体导电特性，在温 i i 山东大学博士学位论文 度低于样品的居罩温度时观察到反常h a l l 效应，表明其铁磁性是由载流子所引 起的。 我们用氧气等离子源辅助的分子束外延法制备了具有室温铁磁性的c o 掺 杂z n o 稀磁半导体单晶薄膜。实时观测的r h e e d 和x r d2 0 扫描表明 z m 。c o 。o 薄膜是单晶。透射谱和x p s 测量表明c o 处于c 0 2 + 的化学状态。 s q u i d 测量结果表明z n l x c o x o 薄膜样品具有室温铁磁性，其居里温度高于室 温，其饱和磁化强度随c o 掺杂量的增加而增大。结合以上实验结果可以判断 样品的室温铁磁性是本征的。其磁性起源可以用束缚磁极化子模型来描述，即 掺杂的c 0 2 + 以浅施主缺陷为媒介产生交换作用形成一个个磁极化子，这些磁极 化子之间由于发生耦合相互作用产生了长程铁磁序，从而形成宏观铁磁性。此 外，样品的导电性质为半导体导电特性。 我们研究了由溅射仪制得的非匀质高f e 浓度的z n i 一。f e 。o 磁性半导体薄膜 制备态与退火态的磁性以及输运方面的性质。研究表明，其磁性可以通过控制 成分的不均匀性和通过快速退火来进行调制。铁磁性与顺磁性成分并存于制备 态的z n l x f e x o 薄膜样品中，且在制备态的z n o 2 3 f e 0 7 7 0 薄膜中观察到了正的反 转场，表明薄膜中近邻局域铁磁性区域有反铁磁耦合作用，这种作用是由热激 发跃迁载流子所传递，其反转场的大小在1 1 0 k 到3 0 0 k 的温度区间内随温度的 升高而增大。 关键词：自旋电子学；磁性半导体；g e l - x m n ；z n l _ x c o 。o ；z n l x f e x o i i i 山东大学博士学位论文 a bs t r a c t s p i n t r o n i c sh a sa t t r a c t e dc o n s i d e r a b l ea t t e n t i o ni nc u r r e n tr e s e a r c hf i e l d so f c o n d e n s e dp h y s i c s ，i n f o r m a t i o ns c i e n c ea n dn e wm a t e r i a l s t h er e s e a r c hi n s p i n t r o n i c sm a i n l yf o c u s e so nt h ep r o c e s s e sa s s o c i a t e dw i t ht h ec h a r g ea n ds p i no f e l e c t r o n s ，s u c ha st h eg e n e r a t i o no fs p i n - p o l a r i z e dc u r r e n t ，s p i ni n j e c t i o n ，s p i n t r a n s p o r t a t i o n ，s p i nd e t e c t i o na n ds p i nc o n t r o l m e n t t h eu l t i m a t ea i mo fs p i n t r o n i c s i st oa c t u a l i z ean e wt y p ed e v i c er e f e r r e da ss p i n t r o n i c sd e v i c e s s p i n t r o n i c sh a sa l m g ea p p l i c a t i o np r o s p e c t ss i n c ei tm a k e sac o m p l e t e l yn e wm o d e lf o ri n f o r m a t i o n p r o c e s s i n ga n ds t o r a g ea n dg r e a t l ye n h a n c e so u ra b i l i t yt od e a lw i t hi n f o r m a t i o n t h ef o r e m o s tt h i n gt os p i n t r o n i cd e v i c e sa c t u a l i z a t i o ni st og e n e r a t es p i n - p o l a r i z e d c u r r e n t t h e r e f o r e ，m a g n e t i cs e m i c o n d u c t o r , w h i c hi sa sak e ym a t e r i a lt og e n e r a t e s p i n - p o l a r i z e dc u r r e n t s ，h a sa t t r a c t e di n t e n s er e s e a r c h m a g n e t i cs e m i c o n d u c t o ri su s u a l l yo b t a i n e db yd o p i n g t r a n s i t i o nm e t a l e l e m e n t si n t oi i i v i i - v i 厂vs e m i c o n d u c t o r s t h es y s t e mo fm nd o p e dg a a sh a s b e e nw i d e l ya n ds y s t e m a t i c a l l ys t u d i e da m o n gt h o s em a t e r i a l s ，o fw h i c hc u r i e t e m p e r a t u r eh a sr e a c h e d18 5 ka n dm a g n e t i s mo r i g i n a t e sf r o mc a r r i e r s m e d i a t e d m a g n e t i s m h o w e v e r , i td o e sn o tf i tf o ra p p l i c a t i o nd u et oi t sr e l a t i v el o wc u r i e t e m p e r a t u r e t h e r e f o r e ，t h ew o r ki nt h em a g n e t i cs e m i c o n d u c t o rr e s e a r c hf i e l d sh a s p a y e dm u c ha t t e n t i o no np u r s u i n gam a g n e t i cs e m i c o n d u c t o rm a t e r i a lw i t hh i g h c u r i et e m p e r a t u r ei nv i e wo fa p p l i c a t i o n c o n s i d e r i n gt h et h e o r e t i c a lp r e d i c t i o n st h a t t h ec u r i et e m p e r a t u r e so fg e - b a s e da n dz n o b a s e dm a g n e t i cs e m i c o n d u c t o ra r e a b o v e4 0 0 ka n d 3 0 0 k , r e s p e c t i v e l y , a n dt h ea d v a n t a g eo ft h e m s e l v e s a s s e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l s ，s u c ha sg ei sc o m p a t i b l ew i t hc u r r e n ts i - b a s e dp r o c e s s i n g t e c h n o l o g y , z n oh a sw i d ea p p l i c a t i o ni nl i g h t e m i t t i n gm a t e r i a l s ，p i e z o e l e c t r i c m a t e r i a la n dt r a n s p a r e n tc o n d u c t i v ef i l m s ，t h er e s e a r c ht o w a r d sg e - b a s e da n d z n o b a s e dm a g n e t i cs e m i c o n d u c t o rh a v ea t t r a c t e dm u c hm o r ea t t e n t i o n s a c c o r d i n gt om o s to fr e p o r t e de x p e r i m e n t a lr e s u l t si ng e b a s e da n dz n o - b a s e d m a g n e t i cs e m i c o n d u c t o r , t h ep r o p e r t i e so fs a m p l e sa r es e n s i t i v et ot h ep r e p a r a t i o n m e t h o d sa n dg r o w t hc o n d i t i o n ，t h em a g n e t i cr e s u l t so fs a m p l s ea l ed i f f e r e n tf r o m o n ea n o t h e ra n de v e nc o n t r a d i c t o r y , t h ei n t r i n s i cm a g n e t i co r i g i no fs a m p l e si ss t i l l u n d e rd e b a t e i no r d e rt os o l v et h e s ep r o b l e m w ew i l ld os o m er e s e a r c h e so n g e - b a s e da n dz n o b a s e dm a g n e t i cs e m i c o n d u c t o rt h r o u g hl o wt e m p e r a t u r ee p i t a x y i v 山东大学博士学位论文 a n da m o r p h o u sg r o w t h s i n g l ec r y s t a lf a b r i c a t e db yl o wt e m p e r a t u r ee p i t a x yc a n e f f i c i e n t l yg e tr i do fi n f l u e n c eo ft h es e c o n d a r yp h a s eo nf e r r o m a g n e t i co r i g i na n d f a c i l i t a t et h ea n a l y s i so fs u c hi s s u e sa st h eo r i g i no fm a g n e t i s md u et oo n e n e s si n s t r u c t u r ea n dp u r i t yi nc o m p o n e n t s a m o r p h o u sg r o w t hi sc o n s i d e r e df r o mt h ev i e w o fi m p r o v i n gt h es o l u b i l i t yo ft r a n z a t i o nm e t a le l e m e n lw h i c hc a ni n c r e a s ec u r i e t e m p e r a t u r ea n dm a g n e t i z a t i o n t h ew o r ko ft h i sp a p e ri sf o c u s e do nt h er e s e a r c ho f m a g n e t i c a n d t r a n s p o r tp r o p e r t i e s i ng e - b a s e da n dz n o - b a s e dm a g n e t i c s e m i c o n d u c t o r 乃em a i nc o n t e n t sa n dr e s u l t sa r ea sf o l l o w s ： m a g n e t i ca n i s o t r o p yw i t hd i f f e r e n tm a g n e t i z a t i o ni ni n - p l a n ea n do u t o f - p l a n e w a sf o u n di ns i n g l ec r y s t a lg e l x m n x ( x = o 019 ，0 0 41 ，0 0 51 ，0 0 7 2 ，0 10 5 ) d i l u t e d m a g n e t i cs e m i c o n d u c t o rf i l m sf a b r i c a t e do nu n d o p e dg e ( 0 01 ) s u b s t r a t e sa tl o w t e m p e r a t u r eb ym b e ，f u r t h e r m o r e ，as i g n r e v e r s i o no fo r d i n a r yh a l le f f e c t c o e f f i c i e n tw i t hd e c r e a s i n gt e m p e r a t u r ew a sf o u n di ng e 0 9 5 m n o 0 5f i l m t h ep a t t e r n s o fi n t i m er e f l e c t i o nh i g he n e r g ye l e c t r o nd i f f r a c t i o n ( r h e e d ) a n dx r a yd i f f r a c t i o n m e a s u r e m e n ti m p l yt h a tt h es a m p l e sk e e ps i n g l ec r y s t a ls t r u c t u r eu n t i lt h em n c o n c e n t r a t i o ni sa r r i v e da t0 0 7 2 t h eh y s t e r e s i sl o o p sm e a s u r e da t5 ks h o wa l lo f s a m p l e sa r ef e r r o m a g n e t i c ，m o r e o v e r , as t r o n gm a g n e t i ca n i s o t r o p y , w h i c hw a s i n d i c a t e db yq u i t ed i f f e r e n tm a g n e t i z a t i o ni ni n - 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ij u n c t i o ni nw h i c hal a r g ep o s i t i v e m a g n e t o r e s i s t a n c ew a sa l s oo b s e r v e d t h er e c t i f y i n gb e h a v i o ro ft r a n s p o r ti sf o u n d i na l lo f j u n c t i o ns a m p l e s t h ei vc u r v e ss h o wt h a tt h eb e s tr e c t i f y i n gp r o p e r t yw a s v 山东大学博士学位论文 f o u n di ng e l - x m n x g ew i t hn - t y p ed o p i n gg es u b s t r a t e ，t h el a r g e s tc u r r e n td e n s i t y w a sf o u n di ng e l x m n x g ew i t hp t y p ed o p i n gg es u b s t r a t e ，a n dt h es t r o n g e s t r e s p o n s et om a g n e t i cf i e l dw a sf o u n di ng e l - x m n x g ew i t hn o n - d o p i n gg e s u b s t r a t e t h el a r g e m a g n e t o r e s i s t a n c ea n d i t s d e p e n d e n c e o nt e m p e r a t u r e sa r ew e l l u n d e r s t o o db yc o n s i d e r i n gt h eb a n df i l l i n ge f f e c ta n dt h ee f f e c to fm a g n e t i cf i e l do n t h ej u n c t i o nr e s i s t a n c e t h er e s e a r c ht o w a r d sm a g n e t i ca n dt r a n s p o r tp r o p e r t i e sw e r e d o n ei n a m o r p h o u sg e l x m n xm a g n e t i cs e m i c o n d u c t o rf i l m sw i t hh i g hm nc o n c e n t r a t i o n s p r e p a r e do nl i q u i d n i t r o g e n - c o o l e dg l a s ss u b s t r a t e sb yu l t r ah i g hv a c u u mm b e h y s t e r e s i sl o o p sm e a s u r e d a t5 ks h o wc o e x i s t e n c eo ff e r r o m a g n e t i s ma n d p a r a m a g n e t i s m t h e m a x i m u mc u r i et e m p e r a t u r eo f2 2 0 kw a sf o u n di n g e 0 4 8 m n 0 5 2f i l m m o r e o v e r , e x c h a n g eb i a so c c u r si nm a g n e t i z a t i o nh y s t e r e s i sl o o p s f o rs a m p l e sw i t hh i g h e rm nc o n c e n t r a t i o n s ( x 0 6 6 ) ，w h i c hc a nb ee x p l a i n e db yt h e a n t i f e r r o m a g n t i ce x c h a n g ec o u p l i n g b e t w e e n f e r r o m a g n e t i cp h a s e a n d a n t i f e r r o m a g n e t i cp h a s e a l lt h eg e l x m n xm a g n e t i cs e m i c o n d u c t o rf i l m s s h o w s e m i c o n d u c t i n gt r a n s p o r tb e h a v i o ra n da n o m a l o u sh a l le f f e c t sb e l o wt h ec u r i e t e m p e r a t u r e ，i n d i c a t i n gc a r t i e r - m e d i a t e df e r r o m a g n e t i s m t h ei n t r i n s i cr o o mt e m p e r a t u r ef e r r o m a g n e t i s mw a sf o u n di nc o d o p e dw u r t z i t e z n o ( z n l x c o x o ) t h i nf i l m sg r o w no na 1 2 0 3 ( 0 0 0 1 ) s u b s t r a t e sb y o x y g e n p l a s m a a s s i s t e dm o l e c u l a rb e a me p i t a x ya tt h el o wg r o w t ht e m p e r a t u r eo f4 5 0o c t h ee p i t a x i a lf i l m so fc oc o n c e n t r a t i o na to x o 12a r es i n g l ec r y s t a l ，w h i c hw e r e e x a m i n e db yr e f l e c t i o nh i l g he n e r g ye l e c t r o nd i f f r a c t i o na n dx - r a yd i f f r a c t i o n b o t h o fo p t i c a lt r a n s m i s s i o ns p e c t r u ma n di ns i t u x - r a yp h o t o e l e c t r o ns p e c t r o s c o p y s t u d i e sc o n f i r mt h ei n c o r p o r a t i o no fc o z 十c a t i o n si n t ow u r t z i t ez n ol a t t i c e m a g n e t i c m e a s u r e m e n t sr e v e a l e dt h a tt h ez n l x c o x 0t h i nf i l m sa r ef e r r o m a g n e t i cw i t hc u r i e t e m p e r a t u r et ca b o v er o o mt e m p e r a t u r e ，a n dt h ef e r r o m a g n e t i s ms h o w si n t r i n s i c c h a r a c t e r i s t i c t h eo r i g i no fm a g n e t i s mc a nb ee x p l a i n e db yf c e n t e rm o d e l f u r t h e r m o r e ，a l lo ff i l m ss h o ws e m i c o n d u c t i n gt r a n s p o r tb e h a v i o r t h er e s e a r c ht o w a r d sm a g n e t i ca n dt r a n s p o r tp r o p e r t i e so fa s - g r o w na n d a n n e a l e di n h o m o g e n e o u sz n t x f e , , om a g n e t i cs e m i c o n d u c t o rf i l m sw i t hh i g hf e c o n c e n t r a t i o np r e p a r e db ys p u t t e r i n gh a sb e e nd o n e w ef o u n dt h a tm a g n e t i c p r o p e r t i e sc a nb eg r e a t l ym o d u l a t e db yc o n t r o l l i n gt h ec o m p o s i t i o ni n h o m o g e n e i t y a n ds u b s e q u e n t l yf a s ta n n e a l i n g f e r r o m a g n e t i s ma n dp a r a m a g n e t i s mi sc o - e x i s t e d v i 山东大学博士学位论文 i na s g r o w nz n o 2 3 f e , o 7 7 0f i l m m o r e o v e r , t h ep o s i t i v es w i t c h i n gf i e l dw a so b s e r v e d i nt h ea s g r o w nz n o 2 3 f e o 7 7 0f i l m ，i n d i c a t i n ga na n t i f e r r o m a g n e t i cc o u p l i n ge x i s t e d b e t w e e nt h en e i g h b o r i n gl o c a lf e r r o m a g n e t i cr e g i o n sw h i c hi sm e d i a t e db yt h e r m a l l y a c t i v a t e dh o p p i n gc a r r i e r s t h ev a l u eo fs w i t c h i n gf i e l di n c r e a s e sw i t hi n c r e a s i n g t e m p e r a t u r ef r o m110 kt o3 0 0 k k e y w o r d s ：s p i n t r o n i c s ；m a g n e t i cs e m i c o n d u c t o r ；g e l x m n x ；z n l x c o x o ； z n l x f e x 0 v i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 日 期： q 2 ：主：望 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：导师签 日舭塑2 加 山东大学博士学位论文 第一章绪论弟一早三：百t 匕 第一节自旋电子学简介 电子同时具有电荷和自旋两种属性。电子的电荷属性在半导体材料中获得 极大的应用，推动了电子技术、计算机技术和信息技术的发展。然而随着集成 化程度的提高和器件尺寸的减小，半导体器件越来越接近其物理极限。倘若将 电子自旋这一属性引入其中，那么将会产生运算速度更快、器件尺寸更小、功 耗更低、且非挥发性的新一代多功能器件，这种通过调控电子自旋特性的新一 代多功能器件，就是自旋电子学中要研究的自旋电子器件。自旋电子学是同时 利用电子的电荷和自旋来实现新的物理功能的新学科，其最终目的是实现新型 的自旋电子器件，如自旋量子阱发光二极管、自旋p n 结二极管、磁隧道效应 晶体管、自旋场效应晶体管、量子计算机等【1 】。由于自旋电子学引导出全新的 信息处理和存储模式，大大提升信息处理的能力，因此具有非常广阔的应用前 景。 自旋电子学的兴起和发展是以人们对磁电阻现象的持续研究工作为基础的 2 - 11 ，其发展历程可归纳为三步：巨磁电阻( g m r ) j 隧道磁电( t m r ) - - - 半导体 自旋电子学。g m r 现象的发现首先应归功于g r u n b e r g 等人在1 9 8 6 年的发现：在 “f e c r f e 三明治结构中，f e 层之间可以通过c r 层进行交换作用，当c r 层 在合适的厚度时，两铁层之间存在反铁磁耦合。其次应归功于b a i b i c h 等人在 1 9 8 8 年的发现：在f e c r f e 三明治结构的多层膜中，当c r 层为9 a 时，f e 层之间 呈反铁磁耦合，在4 2 k 温度下，2 0 k o e 的外磁场可以使相邻铁层之间由反铁磁耦 合变成铁磁耦合，此时平行于电流方向的膜面的电阻率下降至不加外磁场时的 一半，即m r = 厂斤巾夕一启俐肋倒1 0 0 ，用磁化强度平行时的电阻癣 和反平行时的电阻廊表示，则为m r = ( 届p 一届) 尼1 0 0 ，多层膜m r 值随 ( f e c r ) 。周期n 的增加而增大，随c r 厚度变化呈振荡变化。由于在反铁磁耦合的 多层膜中，出现巨磁电阻的必要条件就是近邻磁层中的磁矩相对取向在外磁场 的作用下可以发生变化，因此需要很高的外磁场才能观察至i j g m r 效应，不适合于 器件应用。后来，人们设计出一种三明治结构使相邻铁磁层的磁矩不存在( 或 山东大学博士学位论文 很小) 交换耦合，在较低的外磁场下相邻铁磁层的磁矩从平行排列到反平行排 列或从反平行到平行排列，从而引起磁电阻的变化，这也就是所谓的自旋阀结 构( s p i nv a l v e ) 。自旋阀结构的出现使得巨磁电阻效应的应用很快变为现实。 1 9 9 5 年，人们以绝缘层a 1 2 0 3 代替导体c r ，在f e a 1 2 0 3 f e - - 明治结构中观察到 很大的隧道磁电阻( t m r ) 现象，开辟了自旋电子学的又一个新方向。除了上 面提到的磁性多层结构，早在1 9 8 9 年，0 h n o 等人就开始研究半导体自旋电子学 中的稀磁半导体，1 9 9 6 年，他们首先在g a a s 半导体中掺杂了3 5 的m n ，获得 了居里温度为6 0 k 的稀磁半导体。1 9 9 8 年，m a t s u k u r a 等人通过实验得到了居里 温度超过1 0 0 k 的5 m n 的g a ，一；m n ，a s 半导体。随后，半导体自旋电子学如磁性半导 体，磁性半导体复合材料，非磁性半导体量子阱和纳米结构中的自旋现象以及 半导体的自旋注入的研究在g m r 发现后也变得十分活跃，极大地丰富了自旋电 子学的内容。 目前，人们已经在实验室中制备出自旋电子学的部分原型器件，如自旋场 发射晶体管、自旋发光二极管、自旋隧穿器件等。但这些器件只能在低温下工 作，部分器件甚至需要施加磁场，这些较为苛刻