单晶Fe3O4-半导体异质结构的自旋相关输运研究

The spin dependent transport in magnetic material – semiconductor heterostructures is the key issue for the development of the new generation Spin Field Effect Transistor (SFET). The high efficient spin transport will lead to the new devices with high speed, lower power dissipation and non-volatile memory. Here we propose a two terminal structure SFET with electrical spin injection/detection methodology, which is so far most closed to the realistic future SEFT devices. In this project, we use half metallic Fe3O4 single crystal which have high spin polarization at Fermi level, high Curie temperature and matched conductivity with semiconductor as spin injectors, while GaAs and InAs single crystal as the semiconductor channels. Along with Schottky contact and Ohmic contact between Fe3O4 and semiconductor, MgO tunneling layer may added in between to assist spin travel over the metal-semiconductor barrier. We will study the lateral local and non-local spin valve structure. We will seek the materials for high efficient spin injection, and at the same time to establish the fundamental physics of spin transport in magnetic-semiconductor heterostructures. Comparing with the current studies, this project will lead to the best new generation SFET with strong signal, room temperature operation, and high integration density.

铁磁-半导体异质结构中自旋电子的输运是新一代自旋场效应晶体管（SFET）中的关键基础问题。高效的自旋输运有望带来高速，低耗，信息不易失，突破摩尔定律的新型自旋电子器件。本项目研究最接近于未来实际SFET 的双铁磁端自旋电注入/电探测的异质结构。我们用高度自旋极化、高居里温度、与半导体电阻率适配度较好的单晶磁性半金属 Fe3O4作为自旋注入源；我们比较两种具备较强自旋相干性、结构相似的半导体GaAs及InAs，分别与Fe3O4形成肖特基和欧姆接触，或加入MgO 隧道层作为过渡层，形成隧穿势垒，可分别研究这三种自旋注入机制。研究采用可进行量子调控的局域和非局域横向自旋阀结构。本项目探索自旋相关输运与材料和结构的关系，同时进一步揭示低维铁磁-半导体异质结构中自旋输运的物理本质。本项目的基础物理研究将有利于推动发展信号清晰，集成度高，能够在常温下良好运行的新一代自旋电子器件。

在几种可行的自旋晶体管中，特别是自旋场效应晶体管，自旋传输和自旋操纵是半导体自旋电子学逻辑器件的两个关键组成部分。半导体里自旋注入、自旋检测和自旋相干性的研究继续受到科学界和技术界的广泛关注。Fe3O4作为一种半金属材料，具有高居里温度、高自旋极化率、电阻率与半导体较匹配等优势，成为很有潜力的自旋电子学材料。本项目主要围绕这个主题，采用分子束外延、微加工等样品制备手段，通过磁性、铁磁共振、X射线磁圆二色、磁输运、第一性原理计算等为主要研究手段，对自旋电子由磁性材料向半导体的自旋注入里几个关键问题进行了较为系统的研究，得到以下几方面结果：（1）利用后氧化方法在单晶半导体上生长不同厚度的单晶Fe3O4薄膜形成异质结构，随厚度减小，磁晶各向异性减小，但界面效应起重要作用，引起单轴各向异性增加、磁化动力阻尼增加，自旋轨道耦合增强，这都有利与自旋电子从Fe3O4向半导体的自旋注入；Fe3O4与GaAs之间的肖特基接触也有利于自旋电子穿过界面时的自旋方向能够保持。（2）我们将Fe3O4/GaAs异质结构制备成Fe3O4/GaAs/Fe3O4横向自旋阀自旋注入器件进行自旋注入和自旋探测，IV测量发现Fe3O4与GaAs之间是肖特基接触，利用磁各向异性和形状各向异性，诱导出两边Fe3O4具有自旋平行和反平行两种状态，测量出室温磁电阻效应，磁电阻的大小随偏压电流增大而变大，这将有利于实现室温自旋场效应管的设计和应用。（3）我们利用磁控溅射生长Fe3O4中生长温度和退火温度、对Fe3O4微球进行SiO2包覆、第一性原理计算等方法，对Fe3O4的不同氧化态、氧化过程对磁性、半金属性等进行深入研究，这都会影响自旋注入的效率。（4）我们利用对Fe3O4进行Zn掺杂，能够对其电性、磁性、自旋轨道耦合等性质进行改性和调控，能够更好的与半导体匹配，实现更好的自旋注入效率。（5）我们还对磁性/二维材料异质结构的磁性、磁各向异性进行了研究，有望进一步实现自旋电子向二维材料的自旋注入。