基于ε-Fe2~3N薄膜中N迁移行为的自旋极化电流调控机制及器件研究

Manipulation of spin-polarized current is an important topic in the field of spintronics. This project introduces a novel magnetic material (i.e. ε-Fe2~3N) into the application in spintronics device and investigates the relevant physical mechanism of spin current manipulation. N atom will migrate under electric field between the octahedral vacancies in ε-Fe2~3N, leading to N-rich and N-poor areas, and the location of N will directly affect the magnetic coupling between ions, changing the magnetic properties of ε-Fe2~3N. Based on this phenomenon, this project intends to grow ε-Fe2~3N film on c-GaN by magnetron sputtering combining with high temperature nitridation. Under the optimization of the preparation process, ε-Fe2~3N film with high quality, definite thickness and components will be achieved. The relationship between microstructure and magnetic properties will be investigated and magnetic coupling and decoupling mechanism due to N migration under bias voltage will be discussed. Eventually, manipulation mechanism of spin current by N migration will be revealed and application in spintronics based on this mechanism will be explored.

自旋极化电流的调控是自旋电子学器件研究领域的一个重要课题，本项目拟将一种新型的磁性材料（即ε-Fe2~3N）引入到自旋电子学器件应用领域，研究其具有的自旋调控相关物理机制。电场作用下ε-Fe2~3N中N在八面空位间会迁移，从而导致局部区域的富氮和缺氮，而N的多少会直接影响离子间的磁性耦合，进而影响ε-Fe2~3N的磁学性能。基于此现象，本项目拟通过磁控溅射与高温氮化相结合的方法，在c面GaN上制备ε-Fe2~3N薄膜，从优化ε-Fe2~3N薄膜制备工艺出发，制备高质量、厚度可控、组份可控的ε-Fe2~3N薄膜，明确ε-Fe2~3N结构与磁性之间的关系，研究外加偏压作用下N迁移导致的铁磁耦合与去耦合机理，揭示N离子迁移与电流自旋极化率之间的关系，最终明确N离子迁移对自旋极化率的调控机制，探索基于此特性的自旋电子学器件应用。

本项目将一种新型的磁性材料（即ε-Fe2~3N）引入到自旋电子学器件应用领域，研究其具有的自旋调控相关物理机制，并探索其在自旋电子学领域的可能应用。基于本项目资助，我们对ε-Fe2~3N材料、ε-Fe2~3N/ Al2O3、ε-Fe2~3N/ GaN双层结构以及Fe/Al2O3/ε-Fe2~3N/GaN三明治结构展开研究，从材料基本特性出发，深入研究了材料微结构特性、表面特性、组份特性、磁学特性以及电学特性，并探索了其在自旋电子学领域的应用，具体取得的主要研究进展及重要结果如下：. 应用磁控溅射方法，我们在绝缘Al2O3衬底上制备了不同Fe:N比的ε-Fe2~3N薄膜，并对其相关特性进行了研究。研究结果表明，ε-Fe2~3N中Fe:N比以及磁学性能可以有效的进行调控。应用磁控溅射技术，我们在不同溅射温度下（RT、100oC、200oC、300oC、400oC）制备了一系列Fe-N化合物样品。研究结果表明，改变N2分压和衬底温度对样品薄膜的组份和磁电学性质均有着明显的影响。相比Al2O3而言，GaN为第三代半导体典型代表，因此，GaN上外延ε-Fe2~3N更具有研究价值。应用磁控溅射技术，我们在GaN上也制备了不同Fe:N比的ε-Fe2~3N薄膜。研究结果表明，与Al2O3上外延的ε-Fe2~3N相比，其Fe:N比更易于调控，且组份及磁学特性随着Fe:N比变化而变化。通过Fe:N比的改变可以调控ε-Fe2~3N的磁学和电学特性，继而，我们进一步研究了非磁离子掺杂对ε-Fe2~3N磁学和电学特性的影响。应用高温氮化Fe薄膜的方式，通过改变氨气流量、Fe薄膜厚度、氮化时间长短等条件，我们也制备了Fe-N化合物薄膜并对其基本特性进行了研究。. 作为一种新型的磁性薄膜，ε-Fe2~3N薄膜的磁电输运特性尤其值得关注。我们对Al2O3上制备的单层ε-Fe2~3N薄膜磁电输运特性进行了研究。研究结果表明，对于铁磁性的ε-Fe2~3N薄膜，我们得到了类似多层膜或自旋阀导电现象，我们认为与薄膜内部磁畴取向、O离子渗入氧化等因素有关，即晶界分隔开了铁磁性的ε-Fe2~3N相，同时晶界对自旋极化电子具有自旋相关的散射作用，因此不同晶畴中磁畴的磁化平行和磁化反平行导致了低电阻态和高电阻态。这为我们把ε-Fe2~3N应用在自旋电子学器件领域提供了新思路。