【摘 要】
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随着电子信息产业的飞速发展,电子器件不断趋于集成化和智能化。然而,遵循着“摩尔定律”的传统硅基半导体的尺寸已接近其物理极限。若继续缩减尺寸,则会因为量子隧穿效应的出现以及高集成度导致的发热问题严重影响器件性能。当前急需找到可以代替传统半导体的新材料。2004年,石墨烯的发现将二维材料带入人们的视野当中。二维磁性材料作为二维材料中的一员,有着较弱的层间范德瓦尔斯作用力且在原子层厚度仍能维持自发磁化。
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随着电子信息产业的飞速发展,电子器件不断趋于集成化和智能化。然而,遵循着“摩尔定律”的传统硅基半导体的尺寸已接近其物理极限。若继续缩减尺寸,则会因为量子隧穿效应的出现以及高集成度导致的发热问题严重影响器件性能。当前急需找到可以代替传统半导体的新材料。2004年,石墨烯的发现将二维材料带入人们的视野当中。二维磁性材料作为二维材料中的一员,有着较弱的层间范德瓦尔斯作用力且在原子层厚度仍能维持自发磁化。这些性质使得二维磁性材料易于通过电场、磁场、界面等手段进行调控,从而扩宽自旋电子器件的应用领域。另外,通过改变电子自旋极化的自旋电子器件比通过改变电荷运动的传统晶体管的效率更高、功耗更低。如何对二维磁性材料的本征特性进行调控仍然是当前的重要研究方向。本文主要围绕二维磁性材料的基础结构表征、器件制备以及两种有效调控手段进行了研究,以下为本文的重点研究内容:（1）交换偏置效应是一种对二维磁性材料进行调控的有效方法,在磁数据存储领域发挥着不可或缺的作用。本文研究了二维Fe3GeTe2/Cr PS4异质结的交换偏置效应。对Fe3GeTe2、Cr PS4单晶使用结构表征证实其晶体质量符合实验需求。超导量子干涉仪测试块状Cr PS4,验证其奈尔温度为38K且发现不同温度下存在自旋翻转相变。设计了能够在同一块Fe3GeTe2上测试本征区域和异质结区域的电极结构。构建了Fe3GeTe2/Cr PS4异质结结构,通过低温输运测试和两区域的数据分析对比,确定其居里温度为210K并发现在温度为2K时随着场冷方向的改变存在-98Oe和+107Oe的交换偏置场。增加场冷后,发现Cr PS4的自旋翻转相变导致了界面处交换偏置效应消失。当改变铁磁层Fe3GeTe2厚度时,由实验结果发现交换偏置场与铁磁层厚度无关。这项研究首次在Fe3GeTe2/Cr PS4异质结体系中发现了交换偏置效应,并对下一代磁性存储器的应用奠定了基础。（2）在二维磁性材料中,通过离子液体调控改变材料载流子浓度是一种十分有效的调控手段。本文基于静电门控调控二维磁性半导体材料CrSiTe3。研究了CrSiTe3的空气稳定性,发现薄层的氧化速度更快且电阻也会随之剧增。构建离子液体/CrSiTe3薄片的电双层器件。对器件进行室温电学测试确定其为欧姆接触,且器件电阻随温度的变化表现出明显的半导体特性。器件在施加正栅压时,电阻急剧增大;而施加负栅压时,电阻减小。这项研究针对样品易于氧化和电阻过大的问题给出了具体解决方案,并证实了离子液体对CrSiTe3电阻的有效调控,为二维磁性材料的本征调控提供了新的思路。本文主要基于构建vdW异质结和静电场两种方法对二维磁性材料进行调控。vdW异质结具有更可控的厚度和较好的柔韧性,通过钉扎铁磁层控制其磁化方向的平行或反平行出现高低阻态来实现性能更好的磁存储器件。静电调控可以在保持材料原有结构的基础上改变其载流子浓度、对称性和带隙,进一步导致磁性、居里温度和磁各向异性的改变。
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