反应溅射Fe4N薄膜的自旋极化率、自旋注入和磁电阻效应研究

钙钛矿结构Fe4N具有高自旋极化率、结构简单、容易制备、耐腐蚀、抗氧化、热稳定性好、饱和磁化强度高、居里温度高等优点，是自旋注入源的候选材料，在自旋电子学器件上具有广泛的应用前景。本项目拟采用反应溅射法制备单相的多晶和外延Fe4N薄膜、Fe4N/Nb(Pb)纳米点接触、Fe4N/绝缘体/Co隧道结和Fe4N/半导体异质结构,测量并分析Fe4N薄膜的电子输运特性、自旋极化率及变化规律、自旋注入效率及其异质结构界面处的能带结构变化对输运特性和磁电阻的影响；利用第一性原理计算辅助分析Fe4N薄膜中各种缺陷等对电子结构、能带结构和态密度的影响。解明薄膜厚度、晶向、结晶程度、异质结构中界面处的能带变化等因素对Fe4N自旋极化率和自旋注入的影响，揭示上述体系中自旋相关电子输运特性的物理机制。本项目的研究方案对磁性异质结构的研究具有借鉴意义；研究结果将为Fe4N薄膜在自旋电子学器件上的应用积累基础数据。

本项目围绕Fe4N薄膜及其异质结构制备和自旋相关输运特性开展了研究工作，全面分析了样品的微观结构、磁性和电输运特性主要创新点：(1) 制备了不同取向的单相外延Fe4N薄膜，发现其表面平整度好、软磁特性良好、具有金属导电性；(2) 研究了Fe4N/p-Si和Fe4N/NSTO异质结构的结构和纵向电输运特性，观察到非线性I-V曲线，测量并分析了磁电阻的变化规律，并揭示其物理机制；(3) 研究了Fe4N/BFO/SRO异质结构的结构和界面耦合，观察到明显的交换偏置效应，分析了交换偏置的变化规律，并揭示了FM/AFM耦合的物理机制；(4) 研究了Fe4N/CoN异质结构的结构和界面耦合，观察到样品为外延生长，交换偏置由界面处的FM/AFM耦合强度决定；(5) 研究了Fe4N/Alq3/Co有机自旋阀的结构和物性。观察到由上下电极的磁化强度决定的磁电阻效应和Alq3/Co界面的交换偏置效应，并揭示其物理机制；(6) 采用密度泛函理论研究了Fe4N/单层MoS2界面和Fe-X6团簇掺杂单层MoS2的电子结构；(7) Ti1-xCrxN外延薄膜为铁磁性，居里温度约为80 K。金属导电性，低温处出现弱局域效应；(8) 制备并研究了CrNx薄膜的结构和电输运特性。在多晶薄膜中观察到相变，并揭示了N缺陷和晶界对输运特性影响的物理机制；(9) 制备并研究了GdN薄膜的结构和电输运特性。样品表现为铁磁性，并在50 K附近观察到相变。观察到-60%的磁电阻效应，揭示了晶粒界面效应引起的物理机制；(10) 采用密度泛函理论研究了氧化物界面的自旋相关的电子结构，分析了自旋界面的自旋极化和磁性，为自旋电子学器件的设计提供理论基础。研究结果已经发表SCI论文35篇，包括Scientific Reports、Acta Materialia、Appl. Phys. Lett.、ACS Appl. Mater. & Interfaces等期刊上发表学术论文35篇；会议论文摘要40篇；已授权4项；出版教材/著作2部。培养青年教师2人，1人获得博士生导师资格，晋升教授，入选教育部新世纪人才，天津市131人才第一层次，1人留校任教；博士生在学2人；硕士生毕业6名，在学7名；本科生毕业8名，在学2名；获得天津市自然科学二等奖(第二获奖人)、天津市青年科技奖(提名奖)。