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随着晶体管尺寸不断缩小,摩尔定律逐渐面临失效。自旋电子器件目前已成为后摩尔时代新型器件的研究热点。二维本征磁性材料的发现为开发低维自旋电子学器件提供了巨大的可能。此外二维磁性材料剥离到单原子层,为在二维极限条件下研究基础磁学性质提供了理想的平台。二维范德华磁性异质结中高质量的界面为一些新奇物理现象如斯格明子,马约拉纳零能模等的探究提供了新的机遇。因此二维磁性材料及其异质结构的研究对自旋电子学,材料科学及凝聚态物理等前沿领域都具有重要的意义。目前对二维本征磁性材料的研究还处于初级阶段,一些传统材料体系中出现的物理现象例如反铁磁/铁磁的交换偏置效应、铁磁/非磁性材料之间的邻近效应、超导/铁磁界面的自旋三重态等在二维范德华磁性异质结中是否存在,很少有人报道,本论文以二维金属铁磁体Fe3GeTe2为研究对象,构建了反铁磁/铁磁MnPS3/Fe3GeTe2、超导/铁磁 NbSe2/Fe3GeTe2 以及 NbSe2/Fe3GeTe2/NbSe2 的范德华异质结,主要通过低温电磁输运技术探索Fe3GeTe2的磁电性能、MnPS3/Fe3GeTe2异质结的交换偏置效应、NbSe2/Fe3GeTe2异质结的超导性与铁磁性以及NbSe2/Fe3GeTe2/NbSe2异质结的约瑟夫森效应。具体而言,本论文可以分为以下几部分:第一章,介绍了二维本征磁性材料目前的研究进展,详细阐述了二维本征磁性材料的种类,磁性探测,磁性调控以及相关磁性范德华异质结构的研究进展。并且对自旋电子学的研究进行了系统介绍,主要阐述了自旋电子学中的一些现象包括磁阻效应,霍尔效应,自旋轨道耦合效应,超导自旋电子学等。最后提出了本论文的研究思路与研究内容。第二章,系统介绍了 Fe3GeTe2单晶的合成及其磁电性能的研究。通过化学气相输运法合成了高质量的Fe3GeTe2单晶,磁性表征揭示了 Fe3GeTe2块体的居里温度为183 K,并且具有较强的垂直磁各向异性。通过低温电输运对薄层Fe3GeTe2霍尔器件进行了系统测试,其反常霍尔电阻表现出近方形的磁滞回线,其纵向磁阻具有对称的蝴蝶形曲线。研究结果表明Fe3GeTe2纳米片具有较大的矫顽场、较高的居里温度以及强的垂直各向异性,进而使得Fe3GeTe2在隧穿磁阻、自旋轨道扭矩结构等自旋电子学器件中具有广阔的应用前景。第三章,系统研究了反铁磁/铁磁MnPS3/Fe3GeTe2范德华异质结构中的交换偏置现象及反对称磁阻效应。我们利用机械剥离和干法转移构建了MnPS3/Fe3GeTe2范德华异质结构。电输运测量结果显示当温度低于MnPS3的奈尔温度时,反常霍尔电阻出现了交换偏置现象。更有趣的是,在纵向电阻中观察到了 一种不常见的反对称磁阻。一系列研究成果表明这种反对称磁阻是由于反铁磁/铁磁界面的交换耦合,导致Fe3GeTe2界面和体相之间发生不同步的磁化转换,进而Fe3GeTe2中不同的磁矩构型与自旋流中的自旋极化方向出现平行和反平行排列,导致对电子的散射不同。该研究成果表明人工堆叠的范德华异质结具有探索新的物理现象和应用于自旋电子器件的潜力。第四章,系统研究了超导/铁磁NbSe2/Fe3GeTe2范德华异质结构中的超导性和铁磁性。在NbSe2/Fe3GeTe2范德华异质结构中,利用邻近效应在NbSe2覆盖的少层铁磁Fe3GeTe2中诱导出超导性。Fe3GeTe2层的超导性通过电输运测量中的零电阻行为和NbSe2/spacer/Fe3GeTe2隧穿结构中超导约瑟夫森效应的特征振荡行为得到证实。反常霍尔电阻测试和磁力显微镜表征揭示了超导的Fe3GeTe2层中仍然具有弱的铁磁性,但该弱铁磁性与超导性在空间上是相互分离,还是彼此共存,目前我们在实验上还无法做出准确判断,需要更有效的原位观测手段去进一步证实,如STM或者ARPES等。我们的研究工作为探索自旋三重态、超导性和铁磁性之间相互作用提供了一个新的平台,为低耗散自旋电子学和拓扑量子计算提供了一个新的机会。第五章,设计了平面和垂直结构的NbSe2/Fe3GeTe2/NbSe2约瑟夫森结,对该范德华异质结构中约瑟夫森效应进行了系统地研究。研究结果显示垂直结构的约瑟夫森异质结中具有更强的约瑟夫森电流。通过测试超导临界电流对施加不同方向磁场B的响应,研究了其约瑟夫森结中不同方向的超导电流分布。研究成果显示Fe3GeTe2中的超导电流主要在其顶部和底部表面分布。该研究成果为探索自旋三重态和拓扑超导态等非常规物性提供了新的机会。第六章,总结了前面几章的研究工作,并在此基础上对未来的二维磁性材料的研究提出展望,我们认为未来的研究工作可以从新型二维磁性材料的探索、实验方法和探测技术的改进、新型范德华磁性异质结的构建以及低维自旋电子学器件的应用等几个方面进行。