论文题目：二维铁锗碲异质结磁光特性的研究
摘要：自旋电子学是研究电子自旋属性的学科,在磁光存储器、自旋阀、磁隧道结等器件中有很大的应用前景,引导着后摩尔时代信息产业的发展。近年来,二维本征磁性材料的出现为二维自旋电子学的研究提供了更好的平台。磁光克尔技术凭借其独特的优势成为探测二维磁性材料磁光特性的有力手段。然而,实际工业应用对二维铁磁材料的磁学和光学性能提出了挑战。单独的二维磁性材料由于性能单一,限制了其在器件上的应用。合理地构建二维磁性材料异质结能够导致多种磁界面效应的产生,从而获得更加丰富且优良的磁学和光学性质。因此,如何构建高性能的二维磁性异质结以及如何实现二维磁性异质结的磁性调控是目前自旋电子学领域研究的重点之一。二维范德瓦尔斯巡游铁磁材料Fe3GeTe2由于具备大的磁各向异性、较高的居里温度和相对稳定性等优势,引起了研究者们广泛的兴趣,其异质结的磁学和光学性能也成为值得研究的课题之一。本文利用磁光克尔技术对二维铁磁Fe3GeTe2异质结的磁光特性进行了研究,通过对二维铁磁Fe3GeTe2异质结磁光和磁学性质的研究与调控,为二维自旋电子学器件的应用奠定了基础。本文的主要工作包括以下几个方面:1.研究了不同衬底上不同厚度Fe3GeTe2的磁光特性,在无需外场的条件下实现了二维Fe3GeTe2居里温度的调控。通过化学气相输运法和机械剥离法制备了高质量的铁磁Fe3GeTe2单晶和薄膜。利用磁光克尔技术得到了Fe3GeTe2的磁性与厚度的依赖关系,为后文Fe3GeTe2异质结的研究奠定了基础。通过对大量Au衬底、Al衬底和Si O2衬底上Fe3GeTe2薄膜的磁光性质的测量,发现不同衬底上的Fe3GeTe2薄膜的居里温度有很大差异,同等厚度的样品在Au衬底和Al衬底上的居里温度相差约70 K。第一性原理计算表明Fe3GeTe2/金属异质结的晶格失配所引起的双轴应力和电荷重新分布共同影响了Fe3GeTe2的磁性。这一结果为二维铁磁材料居里温度的调控提供了指导意义。2.利用磁光克尔技术研究了FePS3/Fe3GeTe2范德瓦尔斯异质结的磁光增强特性。通过化学气相输运法和机械剥离以及定点转移技术制备了高质量的Fe3GeTe2、FePS3单晶和FePS3/Fe3GeTe2范德瓦尔斯异质结,利用强磁场磁化率测量装置研究了FePS3晶体的磁性,为后文铁磁和反铁磁自旋态的理论分析提供了基础。磁光克尔测量结果表明,Fe3GeTe2与FePS3的近邻耦合作用使Fe3GeTe2的磁光克尔角增大三倍左右,居里温度提升30 K以上,矫顽场增大一倍以上。另外,FePS3/Fe3GeTe2/FePS3异质结的磁滞回线表明样品中多磁态的现象,这可能是由于反铁磁对铁磁自旋的钉扎效应所导致。该工作表明二维反铁磁/铁磁耦合是一种无需外场增强磁光特性的有效手段,同时也为二维自旋电子学和磁光存储器件的设计提供了思路。3.利用磁光克尔技术研究了FePSe3/Fe3GeTe2范德瓦尔斯异质结的交换偏置效应。通过化学气相输运法、机械剥离以及定点转移技术制备了高质量的FePSe3/Fe3GeTe2范德瓦尔斯异质结。利用磁光克尔技术研究了样品带场降温下的磁光特性。获得了显著的交换偏置效应以及截止温度的非本征特性,同一材料的截止温度会随着样品厚度、粗糙度、耦合强度等的不同而发生变化。另外,通过对FePSe3/Fe3GeTe2异质结不同区域的磁光克尔的测量,得到了交换偏置在该铁磁材料中长程耦合的现象。以上结论表明该异质结在自旋阀器件中具有重要的应用价值。4.利用磁光克尔技术研究了FePSe3/Fe3GeTe2异质结磁耦合增强的效应。通过激光加压实现了FePSe3/Fe3GeTe2异质结的磁耦合增强,在压力的作用下,FePSe3/Fe3GeTe2的矫顽场和交换偏置场增大了一倍;随着压力的增大,交换偏置的截止温度从20 K逐渐提升至110 K（接近反铁磁奈尔温度）。随后,通过对比FePSe3/Fe3GeTe2异质结与Fe3GeTe2在压力下的磁性变化,证明了交换偏置的增强在该铁磁材料中可以长程耦合。该工作提供了一种增强磁耦合的有效手段,推进了FePSe3/Fe3GeTe2在高性能的自旋阀器件中的应用。以上工作实现了Fe3GeTe2及其异质结的磁光增强和磁学性质的调控,表明Fe3GeTe2及其异质结是一类性质优异的二维铁磁材料,在高性能磁光存储器和自旋阀器件中有很大的应用前景。
关键词：自旋电子学;磁光克尔效应;二维铁磁异质结;居里温度;矫顽场;交换偏置效应
学科专业：光学
摘要
Abstract
1.绪论
1.1 自旋电子学简介(Spintronics)
1.2 二维本征磁性材料研究现状
1.3 二维本征磁性材料的调控手段
1.4 二维铁磁异质结研究进展
1.5 二维磁性材料的磁光克尔效应
1.6 本文的选题依据、组织架构和研究内容
2.二维磁性材料与器件的制备和表征方法
2.1 二维磁性材料与器件制备方法
2.2 二维磁性材料表征技术
2.3 二维磁性材料磁光克尔测量技术
3.二维Fe_3GeTe_2晶体在不同衬底上的磁光特性
3.1 Fe_3GeTe_2单晶和薄膜的制备与表征
3.2 不同厚度Fe_3GeTe_2薄膜的磁光克尔效应
3.3 不同衬底上Fe_3GeTe_2薄膜的磁光特性
3.4 第一性原理和平均场理论的计算
3.5 本章小节
4.FePS_3/Fe_3GeTe_2异质结磁光增强特性
4.1 FePS_3/Fe_3GeTe_2异质结的制备和表征
4.2 FePS_3/Fe_3GeTe_2双层异质结的磁光增强特性
4.3 FePS_3/Fe_3GeTe_2/FePS_3三层异质结的磁光增强特性
4.4 本章小节
5.FePSe_3/Fe_3GeTe_2异质结交换偏置特性
5.1 FePSe_3/Fe_3GeTe_2异质结的制备和表征
5.2 FePSe_3/Fe_3GeTe_2异质结交换偏置效应
5.3 FePSe_3/Fe_3GeTe_2异质结交换偏置的截止温度
5.4 FePSe_3/Fe_3GeTe_2异质结交换偏置横向耦合效应
5.5 本章小节
6.FePSe_3/Fe_3GeTe_2异质结的磁耦合增强特性
6.1 FePSe_3/Fe_3GeTe_2异质结的激光加压调控
6.2 激光加压导致FePSe_3/Fe_3GeTe_2异质结交换偏置效应的增强
6.3 激光加压导致FePSe_3/Fe_3GeTe_2异质结交换偏置增强的横向耦合效应
6.4 本章小节
7.总结与展望
7.1 全文总结
7.2 展望
致谢
参考文献