亚铁磁YIG单晶/Ge基半导体薄膜生长及自旋新效应研究

“Yttrium Iron Garnet/Non-magnetic films” heterostructures are key materials for spin-magnon quantum devices. So far, non-magnetic materials with both large spin diffusion length and strong spin orbital coupling are crucial issue for spintronics materials. Germanium-based semiconductors have both a large spin diffusion length and strong spin orbital coupling. So, the project aims to study the growth of low Gilbert damping YIG single crystal/GeX (X=Sn, Bi) semiconductors films and their novel spintronics effects. We are going to explore the technique of molecular beam epitaxial growth of GeX on the ferrimagnetic insulator YIG. With studying the spin dependent magnetoresistance in YIG/GeX heterostructures, the relationships between the content, band structure and spin Hall angle, interfacial spin accumulation will be revealed. Using the spin pumping and spin wave resonance techniques, the effects of the interfacial spin mixing conductance, spin diffusion length and electrical field modulated magnons will be investigated systematically. The project will develop a kind of magnetic insulator/semiconductor spintronics material，which will significantly put forward its potential applications in spin-magnon devices.

“钇铁石榴石/非磁性薄膜”异质结是自旋-磁振子量子器件的核心材料。长期以来，寻找大自旋扩散长度、强自旋轨道耦合兼备的非磁性薄膜是自旋电子材料领域的关键科学问题，Ge基半导体兼具长自旋扩散长度和强自旋轨道耦合强度的优势。因此，项目拟开展低阻尼系数的YIG单晶/GeX（X=Sn，Bi）半导体薄膜生长及自旋新效应研究，突破亚铁磁体YIG与GeX半导体的分子束外延集成技术，研究材料体系的自旋相关磁电阻效应，揭示GeX薄膜组分、能带与自旋霍尔角、界面自旋积聚之间的内在关联；基于自旋泵浦和自旋波共振技术，研究异质结材料中界面自旋混合电导、自旋扩散长度及磁振子场调控的新效应。本项目拟发展一种磁性绝缘体/半导体自旋新材料，并推动其在自旋-磁振子新效应和器件领域的应用。

本项目按照研究计划，完成了极低阻尼磁性钇铁石榴石（YIG）单晶薄膜的制备及离子取代研究，研制出三种极低阻尼因子的Y3Fe5O12、BiY2Fe5O12、(TmBi)3Fe5O12单晶薄膜材料，掌握了YIG单晶薄膜阻尼因子≤2×10-5的外延生长技术，采用球差电镜对GGG/YIG界面的物理、化学键进行了首次原子级成像，采用XPS对不同退火温度下的YIG元素成分和价态进行分析，揭示出退火温度与Fe3+化学计量配比的重要关系，为制备高质量低阻尼的单晶YIG薄膜提供了实验证据；采用变温度铁磁共振技术研究了La:YIG薄膜的自旋动力学行为，发现声子相关的自旋波模式的关联性，为研究声子-磁振子耦合和磁阻尼调控奠定了实验基础。基于生长的高质量YIG单晶薄膜，采用超高真空分子束外延技术生长半导体锗（Ge）、锗锡（GeSn）和锗铋（GeBi）纳米薄膜，构建出YIG/Ge系半导体和YIG/重金属（Bi量子点，PtSn，PtBi等）新颖自旋异质结器件，采用自旋泵浦-逆自旋霍尔测试和宽带铁磁共振技术研究了异质结的阻尼因子和界面自旋混合电导，拟合出半导体薄膜和新颖重金属合金薄膜的自旋霍尔角和自旋扩散长度，采用宽带铁磁共振、磁光克尔和电子能量损失谱（EELS）技术分析了YIG/Bi量子点体系的自旋动力学过程和局域等离子体增强，获得了第一幅清晰的Bi量子点局域等离子体增强图像；通过微纳加工技术制备出自旋波天线，完成YIG异质结薄膜的自旋波（磁振子）激发，实现了脉冲电流对自旋波传输特性的调控。本项目按计划，较高质量地完成了研究内容。