钙钛矿氧化物异质结自旋阀研究及外场调控

The 2D electron gas (2DEG) at the complex transitional metal oxide SrTiO3 interface has abundant unique physical properties such as spin-orbit interfaction and room temperaure ferromagnetism. An advantage of designing new type of spin-orbitronics devices in the system is the recenlty discovered spin-electron conversion and electron-spin conversion based mainly on strong spin-orbit coupling at the interface, which leads to high conversion effeciency at room temperature. Our previous study revealed that this system posseses a very high electric field tunable spin-orbit coupling and orbital effect, especially the observed large AMR up to 104% in (110) systems. This project aims at studying new types of spin vavles built on ferromagnetic electrons/LaAlO3/SrTiO3 heterostructure, studying spin polarization transport properties of the 2DEG spin valve and designing novel spintronics devices by combining growth of the materials using pulsed laser deposition and sputerring, as well as transport measurement at the oxides interfaces built on SrTiO3. By applying external electric field, growth condition and the ferromagnetism and LaAlO3 films thickness, we will charactize the physical properties of the spin valve devices. Finanly, the spin-orbitronics spin valve devices will be optimized by tunning the parameters to provide experimental methods and technique basis and solution for the possible applications.

在钙钛矿氧化物钛酸锶界面产生的二维电子气具有独特的物理性能，比如强自旋轨道耦合和室温磁性。特别是近年来在该体系中发现的源于强自旋轨道耦合的自旋-电子转换，在室温具有较高的转换效率，在开发新型自旋电子学器件中具有独特的优势。我们前期研究发现该体系具有很强的电场可调的自旋轨道耦合和轨道效应，特别是在(110)面发现的高达104%的面内各向异性磁阻(AMR)。本项目将研究制备磁性电极/铝酸镧/钛酸锶界面二维电子气异质结新型自旋阀，分析钙钛矿氧化物异质结自旋阀的自旋极化输运性能及其规律、自旋-电子相互转换和外电场的调控，以及磁性材料层(镧锶锰氧,Fe,CoFeB等)对自旋阀性能的影响。通过设计和制备不同类型的自旋阀，通过改变氧化物薄膜生长条件、磁性电极和铝酸镧厚度，研究并优化该体系中自旋阀器件的性能。课题研究结果为设计高效的磁性电极/钛酸锶界面二维电子气自旋阀器件提供实验方法和基础。

在钙钛矿氧化物界面产生的二维电子气具有独特的物理性能，比如强自旋轨道耦合和磁性以及二维超导。特别是近年来在该体系中发现的源于强自旋轨道耦合的自旋-电子转换，具有较高的转换效率，该体系具有很强的电场可调的自旋轨道耦合和轨道效应，特别是在(110)面发现的高达104%的面内各向异性磁阻(AMR)，在开发新型自旋阀等自旋电子器件和自旋电子学研究上具有一定的优势。本项目研究制备磁性电极/铝酸镧/钛酸锶界面二维电子气异质结新型自旋阀及其电磁输运性能，以及磁性功能材料层(镧锶锰氧,CoFeB及Ni)对自旋阀性能的影响。本研究在低温（2K）下观测到了比较弱的TMR现象，TMR~2%, 实现了基本的自旋阀功能，而室温下无相关现象。进一步研究发现，该钙钛矿氧化物异质结中的TMR具有一定的随机跳动行为，可能跟二维电子气中磁性来源相关，值得进一步研究和探讨。课题研究结果为设计磁性电极/钛酸锶界面二维电子气自旋阀器件提供了思路。在本课题研究中，我们进一步研究了Nb/铝酸镧/钛酸锶界面，通过施加面内磁场调控磁性和能带结构，制备了稳定的零能态并实现了外电场调控；课题研究实现了自支撑钛酸锶薄膜和自支撑钛酸锶/铝酸镧异质结，为氧化物电子学的进一步发展提供了支撑。