强磁场下半导体/磁性材料异质结构外延及原位自旋相关输运检测系统

In this project, a system for semiconductor/magnetic materiial heterostructure epitaxy and in-situ spin-related transportation characterization under a strong magentic field will be developed. The research will mainly concentrate on below. 1) A T-shaped high vacuum chamber will be designed and fabricated with super-thin cooling wall and multi-sources in a small spatial angle to locate into the core of a superconductor magnet. 2) A sample stage will be developed characterized by small volume, rotatable angle between the growth and magnetic field directions, and high heating temperature up to 1200K. 3）A delicate cooler will be designed and processed to match the sample stage and change sample temperature. 4) A setup for magnetoresistance and quantum Hall effect measurements will be assembled, and a software with an user-friend interface will be programmed to collect data and control equipment. The system will be the first one for heterostructure epitaxy with high-quality, sharp interface, and modifiable magnetic domain combining with the in-situ measurements of magnetoresistance and quantum Hall effects. The development of the system will gain an insight into physical origins of spin-orbit coupling and promote the research of spintronics.

本专项计划开展强磁场下半导体/磁性材料异质结构外延及其原位电子自旋相关输运检测系统研发。主要内容有：1）设计和加工超薄冷却腔壁、真空度高、可置于超导磁体室温腔内以及可安装多个生长源于小角度内的倒T型真空腔体；2）研制可置于超导磁体室温腔内的小体积、生长面与磁场夹角可大角度旋转、可从室温加热至1200K以上的样品台；3）研制体积小、可与样品台结构匹配、操作独立以及从液氦到高温变化的制冷装置；4）搭建可测高达1GΩ以上的磁阻及精度高达10-9的量子霍尔测试系统，并编写出一套可自动数据采集和操控设备的人机对话界面软件。预计将率先建立可制备质量高、界面陡峭以及磁结构可控的异质材料外延生长设备及高能量分辨的原位量子霍尔效应、磁阻综合测试仪器，实现新型自旋电子材料生长及自旋相关输运性质原位测量，并深入了解自旋轨道相互作用的物理机制，建立电子自旋操控新方法，促进自旋电子学发展。

传统电子器件的尺寸、集成度已近其物理极限。对电子自旋进行量子调控是进一步加快数据处理、减少功耗、提高集成度的突围之举，方兴未艾。然而，自旋电子材料的生长及调控的先进科学仪器一直依赖进口，且经常受到限制，处于被动局面。本课题组致力于改变这种局面，研制出强磁场下半导体/磁性材料异质结构材料外延及其原位自旋电子输运检测系统，形成具有自主知识产权的成果。主要研究内容及成果为：1）设计和加工超薄冷却腔壁、真空度高、可置于超导磁体室温腔内以及可安装多个生长源于小角度内的倒T 型真空腔体；2）研制可置于超导磁体室温腔内的小体积、生长面与磁场夹角可大角度旋转、可高温加热的样品台；3）研制体积小、可与样品台结构匹配、操作独立以及从液氦到高温变化的制冷装置；4）搭建磁阻及高精度霍尔测试系统，并编写出一套可自动数据采集和操控设备的人机对话界面软件；5）进行半导体/磁性材料异质结构自旋相关输运性质的理论预测，深入了解自旋轨道相互作用的物理机制；6）可实现不同方向（与样品表面夹角0o～90o）、不同强度（0～9T）磁场下、不同温度（室温～1200K）的半导体/磁性材料异质结构外延生长，并在高真空下对样品进行液氦低温到常温的原位磁阻性能和霍尔效应测量，可测高达1GΩ以上的磁阻，精度高达10-9，测量界面友好，功能多样。系统的研制成功将改善我国在自旋电子学方面的研究条件，促进原创性科研工作开展，提高我国在该方面的科学研究水平和地位及国际竞争力。