基于超导量子干涉仪的磁学和电学性质同步测量系统研制

通常利用超导量子干涉仪(SQUID)磁学性质测量系统（MPMS)测量磁性半导体磁学性质，利用物理性质测量系统(PPMS)测量其电学性质。虽然MPMS也可以进行电输运测量，但是由于其样品测量杆携带着较强磁背景信号，对磁性半导体较弱的磁信号测量造成干扰，所以很难实现磁学、电学性能同步测试。为满足我们承担的半导体自旋电子学研究方面国家重大和重点项目对测量技术的需求，本项目拟在依托单位现有MPMS系统上实现半导体自旋电子材料或器件结构的磁学和电学性质同步测量。它是一个涉及真空、低温、磁学、电学、半导体材料与器件工艺等多学科的探索性极强的应用基础型研制项目，设计加工样品表面平行/垂直于原MPMS磁场方向无磁的磁电一体化样品测量杆是本项目的核心部分。这种升级改造的测量装备有利于全面准确地获得电场调控半导体自旋电子材料及相关器件的物理性质的信息，是开拓新一代可实用半导体自旋电子器件强有力技术检测手段。

通常利用基于SQUID的MPMS系统进行磁学测试，利用物理性质测量系统完成电学测试。虽然MPMS也可以进行电输运测量，但是由于其样品杆携带较强的磁背景信号，很难实现磁学、电学性能同步测试。本项目旨在研制出基于SQUID系统进行半导体自旋电子材料及相关器件的磁学和电学性质同步测量的实验装置；利用此装置深入细致地研究相关材料和器件中的电控磁效应。本项目完成了计划研究内容，达到了预期目标。取得主要成果如下：.1. 研制了磁电一体化同步测量样品杆；升级改造了密封传输台；设计与搭建了外部电输运测量系统；开发了与原软件系统兼容的电学测量程序；实现了电学和磁学信号的同步自动化采集。.2. 利用该系统研究了一系列具有不同厚度、不同Mn含量磁性半导体(Ga,Mn)As薄膜相变点附近的磁电关联性质，结果表明(Ga,Mn)As薄膜的居里温度可以通过电阻与温度关系曲线的峰值进行很好的估计。.3. 利用该系统研究了有机分子单层对(Ga,Mn)As薄膜磁性的调控机制，证明了(Ga,Mn)As薄膜磁性的分子调控是通过改变样品的载流子浓度实现的。.4. 利用该系统进行了垂直易磁化半金属CoFeAlSi超薄膜电控磁效应的研究，电学和磁学测量都证明了电场对样品矫顽力和磁各向异性能够进行有效调控。.5. 开展了Co2FeAl/(Ga,Mn)As双层膜磁近邻效应及其电场调控研究，发现当温度为400K时界面处约2nm厚的(Ga,Mn)As层中Mn离子仍保持自旋极化。实现了电场对高居里温度(Ga,Mn)As薄膜磁性质的调控，并演示了电调磁化翻转。为制备出基于(Ga,Mn)As的低功耗室温自旋电子器件奠定了前期基础。.本项目研究期间，发表SCI论文18 篇，包括Rev. Sci. Instrum. 1篇、Adv. Mater. 1篇、Phys. Rev. Lett. 1篇、Nature Commun. 1篇、Sci. Rep. 1篇、PRB 2 篇、APL 4篇、撰写综述论文3篇。申请专利3项。国际会议邀请报告14次，国内会议邀请报告8次。邀请国内外专家来访 38人次。获2014年中国电子学会科学技术一等奖、中科院优秀研究生指导教师奖。毕业博士生8人，培养的研究生获国家奖学金1人次、中科院院长奖学金优秀奖1人次、中科院优秀博士论文1人次、美国超导奖学金1人次、北京市优秀毕业生1人次。引进青年千人1人。