反应溅射外延四氧化三铁薄膜的各向异性磁电阻及其异质外延结构的能带调控输运特性研究

半金属性四氧化三铁薄膜材料具有相结构稳定、比金属材料耐氧化、在超薄厚度下仍能严格保持其化学配比和结构以及具有高自旋极化率等优点，是自旋电子学研究领域自旋注入的理想材料。本申请课题拟使用反应溅射外延的方法，制备出外延四氧化三铁单晶薄膜，研究其各向异性磁电阻和磁晶各向异性的本征联系，以及Verwey转变温度下的结构相变。在此基础之上，制备出不同取向的四氧化三铁/半导体异质外延结构，研究通过异质结构界面的由半金属能带结构调控的自旋极化电子的输运特性，旨在从本征的能带结构的角度，探讨在该异质结构中能带匹配原则与规律，实现按需要设计基于四氧化三铁薄膜材料的异质结构跨越界面的输运行为。研究方案对其它半金属性金属氧化物薄膜及其异质结构的研究具有借鉴意义；研究结果将为半金属性金属氧化物薄膜材料及自旋注入问题的研究积累基础数据。

我们在用反应溅射法制备的外延Fe3O4薄膜中发现了高磁场下弱饱和、高对称性的各向异性磁电阻，两重轴对称的各向异性磁电阻对应远离边界处的磁矩散射，四重轴对称的各向异性磁电阻对应边界处的磁矩散射。当施加电流纵向流过Fe3O4/ZnO异质结构界面时，(111)取向的外延Fe3O4薄膜在低温下呈现六重轴对称的各向异性磁电阻，且与磁晶各向异性对称性相对应。六重轴对称的各向异性磁电阻还与Fe3O4/ZnO界面处的自旋极化率有关，Fe3O4的自旋极化率越高，六重轴对称的各向异性磁电阻越明显。通过Co掺杂，在磁晶各向异性更强的(111)取向CoxFe3-xO4薄膜中也发现了面内六重轴各向异性磁电阻，进一步证明了铁氧体薄膜的各向异性磁电阻与磁晶各向异性密切相关。通过调节Fe3O4/Nb:SrTiO3界面处的势垒高度，在Fe3O4/Nb:SrTiO3异质结构中发现了高达80%的各向异性磁电阻。各向异性磁电阻随电流和温度的相位移动也证明了各向异性磁电阻与磁晶各向异性场的密切相关性。.用射频溅射法在蓝宝石基底上制备了导电的(0001)ZnO薄膜，并进一步外延出(111)Fe3O4薄膜。Fe3O4/ZnO异质结构界面处的I–V曲线具有非线性特性，并呈现出比较微弱的整流特性。界面处的肖特基势垒高度为0.51 eV，30 K时自旋注入效率为28.5%，远低于理想值100%。此外，我们在导电缓冲层LaNiO3上也制备了Fe3O4/ZnO外延异质结构。.通过在Fe3O4/Si异质结构中插入非晶C、MgO和SiO2等中间层实现了对Fe3O4基异质结构的界面能带的调控。中间层能够使界面处Fe3O4的t2g或eg能带出现不同程度的弯曲，导致异质结构的磁电阻出现相应的正负磁电阻效应。.用反应溅射法制备了外延掺杂Fe3O4薄膜，包括铁磁绝缘自旋过滤γ–Fe2O3薄膜、保持100%自旋极化率的TixFe3-xO4薄膜、以及含有本征两相磁性的CoFe2O4薄膜。在NiFe2O4/Nb: SrTiO3薄膜中发现了低偏压下的电容效应；在NiFe2O4和CoFe2O4薄膜中均发现了与氧空位相关的电阻开关效应。.在外延Fe3O4/BiFeO3异质结构中发现了铁磁/铁电界面磁耦合现象。异质结构的饱和磁化强度增强源于界面处的轨道重组导致的铁磁双交换作用，以及界面处的反铁磁有序在铁磁有序的诱导下发生反转而趋于外场方向。