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1、上海交通大学硕士学位论文侧向光伏效应和磁致电阻效应在以Si为衬底的Co/Mn/Co三层膜 结构中的共存研究姓名：孔令珍申请学位级别：硕士专业：光学指导教师：王辉20080101上海交通大学硕士学位论文 I侧向光伏效应和磁致电阻效应在以侧向光伏效应和磁致电阻效应在以 Si 为衬底的为衬底的 Co/Mn/Co 三层膜结构中的共存研究三层膜结构中的共存研究 摘 要 自从20世纪后期巨磁电阻的发现以来，磁电子学作为一门独立的学科兴起并得到迅速发展和重要应用.磁电子学主要研究和应用磁有序材料中原子磁矩(自旋)的有序排列与电子运动的相互作用和相互影响.目前磁电子学已经广泛应用于三极管、高速高密度磁记录的小
2、型甚至微型的读出磁头、磁传感器和自旋阀随机存储器。侧向光伏效应是指当半导体光电器件受光照不均匀时，有载流子浓度梯度将会产生侧向光电效应。利用该效应制成的光学器件主要是光电位置敏感探测器，现已广泛应用于工业生产、军事和科研等领域。 磁电子学和光伏技术的研究和实际应用在本世纪都分别取得了很大的进步，但是集合磁电子学和光伏技术于一体的器件研究却比较少。本论文用磁控溅射的方法在 Si 衬底上制得的 Co/Mn/Co 多层膜结构， 用 PPMS （物性测试系统） 测得其在 300K下的磁致电阻达 0.14%,4K 时的磁致电阻为 2.8%，产生磁致电阻的原因与自旋散射相关。并可以观察到明显的侧向光伏输出
3、，其位置敏感度达到 10 mVmm1，这可以用半导体的在非均匀照射的情况下产生载流子梯度来解释。同时我们发现在测试侧向光伏时，在同样的测试条件下施加不同强度的磁场，其相应位置的侧向光伏输出增上海交通大学硕士学位论文 II加，但与入射点位置仍然保持线性关系；而磁致电阻在有激光照射的情况下从也从0.14%减小到 0.05%。这种类自旋阀结构同时具有磁致电阻和侧向光伏的特性，并且可以通过磁场和光照的双重调制，为实现磁光器件的双重开关控制提供了理论依据。 关键词：侧向光伏效应 磁致电阻 光位置敏感探测器 自旋相关散射 上海交通大学硕士学位论文 IIICoexistence of Lateral Pho
4、tovoltage and Magnetism in Co/Mn/Co film deposited on Si substrate Abstract Spintronics has got much progress as a separate discipline since the magnetoresistance is discovered in the late 20th century. The focus of spintronics is the research about interaction between the electron spin and the elec
5、tron movement in magnetic ordered materials and its actual application. The spintronics has been applied in audion, high-speed and high-density micro-spin head, magnetic sensor and spin- valve MRAM at present. The lateral photovoltage is the carriers difference due to the ununiformly illuminated lig
6、ht illumination on the semiconductor junction. Position sensitive detector is based on this principle and has been widely used in industry, military and science research. Lateral photovoltage (LPV) and positive magnetoresistance are both observed in Co/Mn/Co/c-Si structure. The LPV shows a large sen
7、sitivity of 10 mVmm1 as the spot is moved on the film surface. An apparent 2.8% (at 4.2K) positive magnetoresistance is also found in the structure and is explained based on the enhanced scattering at interface. The LPV is 上海交通大学硕士学位论文 IVdiscussed in terms of the metalsemiconductor junction that exi
8、sts between the film and the Si substrate. The combined properties add functionality to the single magnetic or optic property and facilitate matters for dual role devices that are both sensitive to the light and magnetic field. KEY WORDS: Lateral photovoltage, magnetoresistance, Position sensitive d
9、etector, spin scattering 上海交通大学硕士学位论文 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：孔令珍 日期：2008 年 1 月 23 日 上海交通大学硕士学位论文 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全
10、了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 孔令珍 指导教师签名：王辉 日期： 2008 年 1 月 23 日 日期： 2008 年 1 月 23 日 上海交通大学硕士学位论文 1第一章第一章 绪论绪论 1.1 引言 磁电子学是20世纪后期才兴起并得到迅速发展和重要应用
11、的新学科.它是研究和应用磁有序材料中原子磁矩(自旋)的有序排列与电子运动的相互作用和相互影响的科学技术,有时也称自旋电子学.目前磁电子学的主要研究内容及其应用有超过一般磁电阻效应的巨磁电阻效应和更高的庞磁电阻效应，有巨磁电阻金属三极管和巨磁电阻半导体三级管，有利用巨磁电阻效应应用于高速高密度磁记录的小型甚至微型的读出磁头、磁传感器和自旋阀随机存储器.这种自旋阀随机存储器具有非易失性抗辐照存储密度高和存取时间短等优点。 光生伏特效应简称为光伏效应，指光照使不均匀半导体或半导体与金属组合的不同部位之间产生电位差的现象。侧向光伏效应是指当半导体光电器件受光照不均匀时，有载流子浓度梯度将会产生侧向光电
12、效应。基于该效应的的光学器件主要是光电位置敏感探测器，它是现代工业生产、军事和科研中很重要的一类传感器件，可以用作光电位置探测的固体器件， 主要包括光电二极管阵列、 CCD (Charge Coupled Devices)、电荷注入器件(CID)、电荷扫描器件(CSD)、红外焦平面阵列器件、象限探测器和本文所述的位置敏感探测器(position sensitive detector,PSD)等，其中最常用的是光电二极管阵列、CCD、象限探测器和PSD. 磁电子学和光伏技术的研究和实际应用在本世纪都分别取得了很大的进步，但是集合磁电子学和光伏技术于一体的器件研究却比较少。光照射物质后,物质磁性上
13、海交通大学硕士学位论文 2（如磁化率、磁晶各向异性、磁滞回线等）发生变化的现象称为磁光效应。早在1931年就有光照引起磁化率变化的报道，但直到1967年R.W.蒂尔等人在掺硅的钇铁石榴石 (YIG)中发现红外光照射引起磁晶各向异性变化之后才引起人们的重视。这些效应多与非三价离子的代换有关，这种代换使亚铁磁材料中出现了二价铁离子，光照使电子在二、三价铁离子间转移，从而引起磁性的变化。光磁效应是光感生的磁性变化，也称光感效应。当然这种机制的光磁效应在光存储、光检测、光控器件方面的应用还在研究之中。1.2 本论文的研究工作 本论文的研究工作包括： （1）研究了 Co/Mn/Co/Si 结构在不同温度
14、的磁致电阻特性，并分析了磁致电阻的产生机理。 （2）研究了 Co/Mn/Co/Si 结构的侧向光伏效应，并给出了理论推导分析。 （3）研究了 Co/Mn/Co/Si 结构的磁致电阻在激光照射下的变化，并给出合理的理论解释。 （4）研究了 Co/Mn/Co/Si 结构的侧向光伏在磁场强度变化的情况下的不同，并分析了原因。 上海交通大学硕士学位论文 3第二章第二章 磁电阻效应综述磁电阻效应综述 2.1 磁电阻分类、产生机理和应用磁电阻分类、产生机理和应用 2.1.1 正常磁电阻效应（OMR） 磁电阻效应是指材料中的电阻随外加磁场的改变而改变的现象，根据磁场导致电阻的增加或减少，分别称为正或负磁电阻
15、效应。即()(0)0(0)HMR =。正常磁电阻效应是普遍存在于通常金属、半导体和合金中的磁电阻，来自于外磁场对载流子的洛仑兹力该力导致传导电子的运动在空间发生偏离或产生螺旋运动，从而使电阻升高，因而材料表现为正的磁电阻效应。众所周知，由于各种无序(缺陷，热涨落等)的存在电子和空穴在不完整的晶格中运动，会与这些无序势发生相互作用，从而交换能量和动量，改变运动方向和迁移率而产生电阻，对于正常的非铁磁性金属如Au、Cu等而言，其磁致电阻是相当小的他们近似以H2(H为外加磁场)的关系增加，不出现饱和现象1 2.1.2 各向异性磁电阻效应（AMR） 铁磁金属和合金多晶体具有各向异性磁电阻效应，即外加磁
16、场方向平行于测试电流方向时测量得到的电阻率与外加磁场方向垂直于测试电流方向时测量得到的电阻率不相等的效应。各向异性磁电阻效应来源于各向异性散射，而各向异性散射主要由自旋轨道耦合和低对称性的势散射中心引起，前者降低了电子波函数的对称性，使电子的自旋与其轨道运动相关联，目前人们比较普遍接受这一机制。 上海交通大学硕士学位论文 4各向异性磁电阻的定义：oooAMR =?其中?中是径向电阻，对应于磁场方向平行于电流方向；为横向电阻，对应于磁场方向垂直于电流方向；o为铁磁材料在理想退磁状态下的电阻率，不过理想的退磁状态很难实现，通常将o取为(2)/3av=+?。 低温5K时铁、钴的各向异性磁电阻值约为1%，而坡莫合金（Ni81Fe19）为15%，室温下坡莫合金薄膜的各向异性磁电阻值仍有2.5%。各向异性磁电阻效应尽管数值不大，但它在磁电子学发展的早期直至今都扮演着不可或缺的角色，今天它正在读出磁头及各类传感器中起着挑大梁的作用，目前市场上大部分的磁电阻器件仍是
