镍和镓锰砷中的反常霍尔效应

【摘要】以2007年AlbertFert和PeterGrunberger获得诺贝尔物理学奖金为标志,自旋电子学已经成为当前物理学研究的前沿和热点。这个以凝聚态物理、纳米材料、电子工程为基础的新兴交叉学科,包含了丰富深刻的基础物理问题而且在纳米电子学领域具有相当广阔的应用前景。其中,自旋相关输运特性的机制长期以来成为研究的热点。在攻读博士期间,我主要研究了一个典型的自旋相关输运现象一一磁性体系中的反常霍尔效应。主要从实验上确定了Ni中的内禀、外禀反常霍尔效应,研究了GaMnAs磁性半导体中低电导区域的反常霍尔标度规律,以及制作了基于Au的自旋霍尔效应纳米器件：1.反常霍尔效应长期以来都是凝聚态物理中一个棘手的问题。这是由于它表现出各式各样的实验现象,内禀、外禀起源的难以区分,以及取决于复杂的能带结构。我们在纳米尺度厚度下研究了Ni的外延薄膜,在从5K到330K的各个温度下成功辨别出起主要贡献的内禀效应。以霍尔电导率的形式进行表述的内禀反常霍尔电导率表现出相当的温度依赖,这将帮助解释一个该领域熟知的困难：第一性原理计算的反常霍尔电导率的结果和实验值有很大出入。我们同时还得到了弹性散射引起的SkewScattering对反常霍尔效应的贡献,并且发现SideJump机制几乎不起贡献。确定材料中这些机制以及它们温度依赖特性的实验方法不仅能够加深我们对自旋相关霍尔效应的理解,而且为进一步在室温条件下设计自旋电子学器件铺平了道路。2.通过在GaMnAs中逐步建立最佳退火条件,我们发现了一个在无序低电导区域严格检验反常霍尔效应幂律标度的理想退火窗口,在该窗口内增加的退火强度将提高样品的电导率而并不改变其自发磁化强度M。在该窗口内能够保持材料的内禀属性以及自旋极化度,而这对于得到真实的反常霍尔效应幂律标度关系是至关重要的。测量结果表明反常霍尔电导率是一个不依赖于纵向电导率的常数。这清楚地说明即使属于无序的低电导铁磁体,GaMnAs中反常霍尔效应的行为更类似于Fe、Co等均匀有序磁性金属,而并不类似于同样具有低电导率的复杂磁性化合物。我们进一步发现反常霍尔电导率和磁化强度之间存在线性关联,这将有助于理解通常观察到的非整数幂律标度。最后我们还分析了内禀、外禀贡献的大小,所得到的内禀反常霍尔电导率和理论估计值相符合。3.最近在Au的纳米器件中发现了巨自旋霍尔效应,可能成为自旋电子学领域的一个重大突破。而自旋霍尔效应和反常霍尔效应起源于同样的微观物理机制,分别在非磁和磁性体系中体现出来。因此基于对反常霍尔效应机理的研究,我们能够从实验上确定巨自旋霍尔效应的物理机制,并且通过控制器件厚度或加入磁性杂质来人工调控这一效应。作为第一步,我们运用电子束光刻微加工技术制作了纳米尺度的HallBar,用于研究Au的自旋霍尔效应。
【作者】叶力；
【导师】金晓峰；
【作者基本信息】复旦大学，凝聚态物理，2010，博士
【关键词】自旋电子学；反常霍尔效应；自旋霍尔效应；磁性半导体；磁性薄膜；

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