自旋电子学与纳米器件物理

开发和利用电子的自旋属性进行信息处理是快速增长的自旋电子学领域的主要目标之一,由于自旋信号较弱且进动方向易于受外界影响而翻转等,研究自旋的输运特性不仅需要有磁场的调控,原位的测试条件也是不可缺少的,这迫使我们发展新的合适的实验系统开展该方面的研究,我们研发了一系列先进实验技术,并研究了纳米结构中自旋相关属性。目前的进展如下。

1.低温强磁场双探针STM-MBE联合系统

为了开展纳米尺度下自旋与电荷同磁场相互作用的研究,经过艰苦努力,成功地完成了超高真空低温(变温)强磁场双探头STM与分子束外延联合系统的研发(见图1)。该系统具有以下特点:具有双探头STM,其中每个探头具有独立的扫描成像能力,并且可在原子尺度上准确定位;能够外加最高12T的两维磁场;工作温度最低可以达到2.5K,并且具有2.5K至室温的变温功能;超高真空中实现MBE子系统与强磁场和双探头STM子系统的一体化;能够方便地用AFM或4-probe或其它样品测试平台取代双探头STM测试平台;具有几十微米精度地的光学导航子系统;这一成果发表在Rev.Sci.Instrum.78,065108 (2007).

  STM
 
1 双探针低温强磁场STM结构和8T磁场下的原子结构

 

2.C-13石墨烯氧化物的合成与结构分析

利用化学CVD方法制备了氧化石墨烯结构,通过NMR分析并确定了具有不同丰度C-13石墨烯氧化物的结构。结果发表在 Science,321(2008)1815.

 
  2.2
2 C-13石墨烯氧化物的合成与NMR结构分析。

 

 

3.半金属铋的自旋轨道耦合

研究表明,半金属-铋(Bi),特别是在硅衬底上外延生长的单晶Bi膜,不仅具有很大自旋劈裂,而且具有小的有效质量和大的得不罗意波长以及丰富的量子特性等,成为研究自旋轨道劈裂的较理想材料而倍受国际前沿的关注。对此我们利用上述自主研发的设备,通过不断尝试,终于在硅衬底上外延生长出大面积均匀的单晶Bi膜(见图3),并对其输运机制进行了初步的研究,发现了在低于30nm的Bi膜中存在一个特征温度Tc,当温度低于Tc时,薄膜电导取决于金属性的界面态;高于于Tc时,取决于半导体性的膜内态;Tc随膜厚变化,薄膜越薄,Tc越高,当膜厚小于5nm时Tc达到室温。该结果表明低于Tc时,不可能观察到金属-半导体相变(该预言在学术界争论了40多年,迄今仍无定论);同时测试的不同原子层厚的Bi膜纵向电阻、霍尔电阻随磁场的变化表明,薄膜界面附近存在很强的自旋-轨道耦合(SOC)作用,界面态的金属相仍来源于表面处的自旋轨道耦合效应。

2.3
3 半金属铋的结构

 

 
 

4.铁磁-反铁磁交互耦合相互作用的研究

 

 

 

 

 
 

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