1、電子既是電荷的載體又是自旋的載體。電子作為電荷的載體，使二十世紀無疑成為了微電子學的天下。而隨著1988年巨磁電阻(GMR)效應發(fā)現(xiàn)以來，通過操縱電子的另一量子屬性——自旋，使新一代的電子器件又多了一維控制手段。 電子自旋的研究涵蓋了金屬磁性多層膜、磁性氧化物、磁性半導體等眾多的體系，探尋這些體系中自旋輸運的基本原理是研究的重點。目前，基于傳統(tǒng)自旋閥中極化輸運及自旋電子學發(fā)展對新材料、新結構的研究尚不成熟，還有眾多科學問題亟待解

2、決，諸如：如何在室溫下獲得更大的巨磁電阻變化率、提高器件的穩(wěn)定性及靈敏度、自旋閥中交換偏置場產(chǎn)生的物理根源、實現(xiàn)自旋同半導體完美結合的材料、結構及方法等。因此，本論文研究工作基于國內(nèi)外自旋電子學研究的重點，首先圍繞最基本的自旋閥納米多層膜結構，開展了自旋閥多層膜制備、設計、結構優(yōu)化、自旋閥交換偏置核心結構物理機制探索等研究：其次，提出了三種異質(zhì)結新結構，并以大自旋極化率Fe3O4磁性半金屬為核心材料，開展了自旋閥、新異質(zhì)結研究；最后，在

3、理論、材料研究基礎上，對自旋器件進行了設計與實驗研究，獲得了一些有益的結果。主要內(nèi)容為： (1)理論方面，基于自旋電子器件的進一步發(fā)展對新結構、新材料發(fā)展需求，提出了磁性半導體/半導體、磁性半導體/磁性半導體、自旋濾波材料/自旋濾波材料的新自旋異質(zhì)結模型，理論分析發(fā)現(xiàn)利用磁性半導體/半導體異質(zhì)結在負偏壓的作用下可實現(xiàn)自旋電子的極化輸運，而利用磁性半導體/磁性半導體、自旋濾波材料/自旋濾波材料異質(zhì)結可實現(xiàn)趨于100％的磁電阻變化率

4、，另外通過計算對可實現(xiàn)的磁阻效應及對材料的要求進行了詳細的研究，為新材料的應用奠定了一定的理論基礎。 (2)雖然基于自旋閥核心結構的自旋電子器件研究已開展了多年，但如何進一步提高自旋電子器件的磁電阻效應、靈敏度、工作范圍、工作穩(wěn)定性等，探尋解決這些問題的物理機制仍是自旋電子學中的一個熱點研究課題。因而，首先基于Mott二流體模型發(fā)現(xiàn)自旋閥巨磁電阻受磁性材料、非磁性材料、自旋極化率、自旋擴散長度、厚度、尺寸、電阻率等影響明顯，因而

5、可通過改善制備工藝條件及各層的材料、厚度改善自旋閥的性能，探尋提高巨磁電阻變化率、靈敏度等的有效途徑。其次，以理論分析為指導，實驗上首先制備Ta/NiFe/Cu/NiFe/FeMn傳統(tǒng)自旋閥多層膜，研究了自由層、隔離層、釘扎層、反鐵磁層厚度對巨磁電阻效應的影響，找到了最佳的制備工藝；其次，研究了緩沖層材料對自旋閥靈敏度、巨磁電阻效應的影響，發(fā)現(xiàn)由于緩沖層元素表面自由能的影響導致了自旋閥靈敏度的改變，指出選擇適當表面自由能的緩沖層，可有效

6、改善自由層薄膜的性能，為提高器件的靈敏度提供有效的途徑；最后，基于室溫磁場下制備自旋閥交換偏置場較小、工作范圍較窄的問題，通過對傳統(tǒng)結構的改進，提出了新型雙交換偏置場自旋閥模型，為增大器件工作穩(wěn)定性、人為調(diào)制器件工作范圍的提供了有效手段。 (3)交換偏置在自旋電子器件中具有核心地位，但到目前為止其產(chǎn)生的物理根源、影響其大小的因素仍是一未解決的難題。因而，本論文基于自旋閥的核心結構——鐵磁/反鐵磁交換偏置效應，研究了NiFe/Fe

7、Mn雙層膜釘扎層、被釘扎層厚度、材料微結構、底釘扎、頂釘扎結構等對交換偏置的影響，分析了交換偏置產(chǎn)生的物理根源；研究了制備磁場大小對釘扎場大小的影響，發(fā)現(xiàn)了利用大磁場可實現(xiàn)提高交換偏置的新方法，并利用6500e的大磁場在1-2nm的NiFe釘扎層中實現(xiàn)了接近600Oe的交換偏置場。 (4)基于自旋閥測試，研究了初始測試磁場平行與反平行于交換偏置場方向，測試電流的大小對交換偏置場的影響，并用大脈沖電流在初始測試磁場反平行于交換偏置

8、場方向的樣品中首次實現(xiàn)電流矩在電流沿膜面流動自旋閥結構中對釘扎場的翻轉(zhuǎn)，為鐵磁/反鐵磁雙層膜體系產(chǎn)生交換偏置的機理提供了新的研究途徑，并對自旋閥的應用提出了新的挑戰(zhàn)。 (5)為探尋高自旋極化率的新材料，開展了半金屬磁性材料Fe3O4薄膜制備工藝的研究。通過改變?yōu)R射功率、退火溫度、緩沖層、磁場沉積等，在200W濺射功率、300℃的退火溫度、300Oe沉積磁場的最佳條件下獲得了高晶?？棙?、成分單一Fe3O4薄膜，并通過對氧氣氛的調(diào)節(jié)