过渡金属掺杂的C/Si薄膜结构中的正负磁阻及正负磁阻转换

碳基自旋电子学材料和硅基自旋电子学材料是自旋电子学材料的两个研究热点。我们把过渡金属Fe、Co掺杂在非晶碳膜里然后将该膜做在硅衬底上，发明了一类新颖的碳基自旋电子学材料（Fe,Co）－C/Si。该材料是半导体具有整流效应， 还具有室温低场巨磁阻、电致电阻、光电导、光伏效应等物性，具有很好的应用前景。特别的是，该材料的磁阻不同于已知的巨磁阻（GMR）和正磁阻（OMR），我们制备的Fe-C/Si材料在低温负偏压下，磁阻可正可负， 且正磁阻和负磁阻可以随磁场方向的改变而发生转换，这种磁阻现象未见有报导。另外我们制备的C/Co/Al2O3/Si材料具有负磁阻，但该负磁阻无法用现有的巨磁阻机理解释，因为该材料只有一层铁磁层（Co层）。本申请主要是研究这两种材料中的新颖磁阻现象及其机理，该研究将拓展人们对磁阻现象的认识，具有重要的科学意义，该研究的成功将导致磁阻现象的新的应用。

本课题的主要研究内容为：1）碳膜在低温下正、负磁阻转变的机理；2）硅基磁磁电阻器件及其磁阻机理；3）铁掺杂碳膜在低温下正、负磁阻转变的机理；4）非晶碳膜的磁阻。. 本课题发表SCI论文29篇(包括Nature论文2篇), 其他论文7篇，在国际会议上做邀请报告9 次，在国内会议上做邀请报告12次。获得中国发明专利授权3项， 申请国际专利1项。培养博士4人，培养博士后2人。在读博士8人，在站博士后1人。.本课题发明了一种用硅制备的二极管辅助的几何增强磁电阻器件, 该器件在0.06特斯拉和7特斯拉下分别实现了30％和100,000％的磁电阻。研究表明： 二极管导致了一个从低电阻态向高电阻态的转变，在转变发生的临界区，磁场可以引起器件电阻的巨大变化，从而在低磁场下得到很大的磁电阻。我们还在1.2特斯拉下分别在砷化镓和锗上在1.2T下得到了大于2600％的磁电阻。用硅制作磁电阻器件的优点是：磁阻器件可以用已有的硅集成电路工艺来制备，可以与半导体硅器件兼容。用半导体制备磁阻器件使得半导体材料进入了磁性材料工作领域，这将给磁传感器工业带来革命性变化；也将催生半导体工业和磁传感器工业的联姻。该工作发表在2011年的《Nature》上， 该工作还入选2011年度“中国科学十大进展”和2011年度“中国高等学校十大科技进展”。. 本课题研究了掺铁非晶碳膜的在低温下的正负磁阻转换， 发现非晶碳基底贡献PMR，铁磁性体贡献AMR，而他们之间的界面则贡献Brillouin型GMR，三者之间在不同的铁掺杂、不同温度和磁场下相互竞争，从而表现出的正负磁阻转换。. 本课题还研究了在玻璃基底上生长非晶碳薄膜的磁阻，发现非掺杂非晶碳膜的磁阻机理可以用波函数收缩理论来解释。. 本课题用CVD方法制备了无序碳材料，该碳膜具有半导体性，生长时间为5分钟的较薄样品在波长550 nm处透光率可达82%，方阻为3.7 k/□，电阻率为10-50 μΩ·m，在室温下的迁移率约为80 cm2V-1s-1，具有作为透明导电材料的应用潜力。在垂直于样品表面的外加磁场下，从2K到300K该材料具有负磁阻性能。