半金属Fe,3O,4薄膜的制备及磁电性能研究

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1、摘要摘要自旋电子学将电子的自旋特性引入电输运过程，拓展了传统微电子学的研究领域。基于自旋的电子器件引起了广泛的关注，并成为最具前景的替代目前微电子器件的下一代产品，因此对高自旋极化率的料的开发有着重要的价值。半金属是一种具有100％自旋极化率的材料，在自旋电子器件中有着重要的应用，因此得到了广泛的研究。半金属薄膜材料的制备工艺及电输运性质的研究也因此成为了凝聚态物理领域的热点问题。在众多的半金属材料之中，Fe304因其高居里温度(Tc=858K)和低沉积温度等优点成为近年来自旋电子学领域的重点研究对象之一。本论文制备了Fe304薄膜

2、及Fe304／Si02／Si异质结，并对其微观结构、电学、磁学及场发射性质进行了系统的研究。本文首先介绍了一种新的制备Fe304薄膜的方法。利用磁控溅射设备，采用Fe203靶材，在心和H2混合气氛下制备了Fe304薄膜。XRD和XPS结果证实了产物为反尖晶石结构的Fe304。高分辨电镜和电子衍射花样表明薄膜具有良好的结晶度。由于H2的刻蚀作用，薄膜表面的粗糙度随H2分压的增大而增大。电阻随温度变化曲线中在115K附近出现明显的Verwey相变，对应的非化学计量比为6=1．7x10一(Fc04)04)。拟合结果显示薄膜符合变程电子跃迁

3、导电模型tWRH)。拟合曲线的斜率在相变温度乃附近突然增大，符合乃以下能带中出现带隙的结果。薄膜的饱和磁化场高达5000Oe，薄膜中存在反相边界(APBs)。乃以下薄膜矫顽力增大，这与晶格对称度的降低有关。低温下没有观察到交换偏置现象，表明APBs缺陷的密度很低。300K时薄膜的磁电阻约为1％。本文还探索了脉冲激光沉积(PLD)法制备Fe304薄膜的工艺。XRD和XPS结果表明所制备薄膜为纯相Fe304。薄膜表面较为粗糙。电阻随温度变化曲线中没有观察到Verwey相变，薄膜中电子的输运为晶粒间隧穿导电机制。用磁控溅射法制备了Fe30

4、4／Si02／Si异质结，高分辨电镜结果显示其具有清晰的界面。异质结表现出良好的整流特性。不同温度下的lrd-V曲线几乎平行，电子输运过程中隧穿机制占主导。对异质结的伏安特性曲线用经典的热发射／扩散模型进行拟合，从而得到理想因子门=1．9，肖特基势垒高度为0．69eV。测北京工业大学工学硕士学位论文量了薄膜的场发射性质，阈值电压约为3V。用F-N公式对实验数据进行拟合，ln(j／E2)'-E。曲线呈线性，证实了电子的发射的确为场发射机制。关键词半金属；Fe304：Verwey；异质结；场发射IIABSTRACTABSTRACTSpi

5、nofelectronswereintroducedbyspintronics，whichextendresearchfieldsoftraditionalmicro—electronics．Thespin-baseddeviceshavedrawnagreatdealofinterestaspromisingcandidatesforthesubstituteofpresentmicro—electronics．Therefore，thematerialswithhi911spinpolarizationareexpectedto

6、beexplored．Halfmetalisakindofmagneticmaterialwhichhas100％polarizationthatmakesitquiteattractiveintheapplicationsforspin-baseddevices．Sotheresearchofelectronictransportationpropertiesandthefabricationofhalf-metalmaterialsfilmshavebecomeonefocusinthefieldofcondensedmatte

7、rphysics．Amongthehalf-metallicmaterials，theadvantagesofmagnetite(Fe304)includingthehi曲Curietemperature(re=858K)andlowdepositiontemperaturehavemadeitafocusinthefieldofspintronicsrecently．Inthisthesis，Fe304thinfilmsandFe30dSi02／Siheterojunctionwerefabricated．Microstructu

8、re，transportproperties，magneticpropertiesandfieldemissionwerestudiedsystematically．AnewmethodforpreparationofFe304thi