探秘重金屬亞鐵磁合金異質(zhì)結(jié)：自旋相關(guān)輸運(yùn)的機(jī)制與前沿

探秘重金屬亞鐵磁合金異質(zhì)結(jié)：自旋相關(guān)輸運(yùn)的機(jī)制與前沿一、引言1.1研究背景與意義隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)信息存儲(chǔ)和處理能力的要求日益增長(zhǎng)。傳統(tǒng)的基于電荷的電子學(xué)器件，如硅基半導(dǎo)體器件，逐漸逼近其物理極限，面臨著諸如功耗高、尺寸縮小困難以及信息存儲(chǔ)密度難以進(jìn)一步提升等瓶頸問(wèn)題。自旋電子學(xué)作為一門(mén)新興的交叉學(xué)科，致力于利用電子的自旋屬性而非僅僅是電荷來(lái)實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)、處理和傳輸，為解決這些問(wèn)題提供了新的途徑和希望。在自旋電子學(xué)領(lǐng)域，重金屬亞鐵磁合金異質(zhì)結(jié)由于其獨(dú)特的物理性質(zhì)和潛在的應(yīng)用價(jià)值，成為了研究的熱點(diǎn)之一。亞鐵磁材料具有兩套反平行排列的磁性子晶格，其凈磁矩不為零，這使得它兼具了鐵磁材料和反鐵磁材料的部分特性。與鐵磁材料相比，亞鐵磁材料在某些情況下能夠展現(xiàn)出更快的自旋動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)高速信息處理至關(guān)重要。同時(shí)，由于其內(nèi)部磁矩的特殊排列方式，亞鐵磁材料在一定程度上可以降低退磁場(chǎng)的影響，從而提高存儲(chǔ)的穩(wěn)定性。而重金屬通常具有較強(qiáng)的自旋軌道耦合效應(yīng)，能夠產(chǎn)生自旋流，這為在異質(zhì)結(jié)中實(shí)現(xiàn)自旋相關(guān)的輸運(yùn)現(xiàn)象提供了條件。當(dāng)重金屬與亞鐵磁合金形成異質(zhì)結(jié)時(shí)，界面處會(huì)發(fā)生一系列復(fù)雜而有趣的物理過(guò)程。自旋軌道耦合效應(yīng)使得重金屬中的電荷流能夠轉(zhuǎn)化為自旋流，這些自旋流可以注入到亞鐵磁層中，與亞鐵磁層中的磁矩相互作用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)磁矩的調(diào)控。這種基于自旋軌道矩的磁矩調(diào)控方式，具有速度快、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，為下一代高速、低功耗的自旋電子器件，如磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（MRAM）、自旋邏輯器件等，提供了關(guān)鍵的物理基礎(chǔ)。在信息存儲(chǔ)方面，傳統(tǒng)的存儲(chǔ)技術(shù)如硬盤(pán)和閃存，面臨著存儲(chǔ)密度難以進(jìn)一步提高、讀寫(xiě)速度受限以及能耗較高等問(wèn)題。基于重金屬亞鐵磁合金異質(zhì)結(jié)的自旋轉(zhuǎn)移矩磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（STT-MRAM），有望突破這些限制。通過(guò)自旋流與亞鐵磁層磁矩的相互作用，可以實(shí)現(xiàn)磁矩的快速翻轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)信息的高速讀寫(xiě)。同時(shí)，由于自旋流的注入和磁矩的調(diào)控過(guò)程中能耗較低，STT-MRAM具有低功耗的優(yōu)勢(shì)，這對(duì)于移動(dòng)設(shè)備和大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等領(lǐng)域具有重要意義。在信息處理方面，自旋邏輯器件利用電子的自旋狀態(tài)來(lái)表示邏輯信息，相比于傳統(tǒng)的電荷邏輯器件，具有更高的集成度和更低的功耗。重金屬亞鐵磁合金異質(zhì)結(jié)中的自旋相關(guān)輸運(yùn)現(xiàn)象，為自旋邏輯器件的實(shí)現(xiàn)提供了物理基礎(chǔ)。例如，通過(guò)控制自旋流的方向和大小，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)亞鐵磁層磁矩的精確調(diào)控，從而實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算功能。對(duì)重金屬亞鐵磁合金異質(zhì)結(jié)的自旋相關(guān)輸運(yùn)研究，不僅有助于深入理解自旋電子學(xué)中的基本物理過(guò)程，如自旋流的產(chǎn)生、輸運(yùn)和弛豫，自旋與磁矩的相互作用機(jī)制等，而且對(duì)于推動(dòng)自旋電子學(xué)器件的發(fā)展，解決信息存儲(chǔ)和處理領(lǐng)域的瓶頸問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)信息技術(shù)的跨越式發(fā)展具有重要的理論和實(shí)際意義。它為開(kāi)發(fā)新型的高速、低功耗、高存儲(chǔ)密度的信息存儲(chǔ)和處理器件提供了可能，有望在未來(lái)的信息技術(shù)革命中發(fā)揮關(guān)鍵作用。1.2研究目的與創(chuàng)新點(diǎn)本研究旨在深入探究重金屬亞鐵磁合金異質(zhì)結(jié)中的自旋相關(guān)輸運(yùn)現(xiàn)象，揭示其內(nèi)在物理機(jī)制，為自旋電子學(xué)器件的發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)支持。具體研究目的包括：精確測(cè)量重金屬亞鐵磁合金異質(zhì)結(jié)中自旋流的產(chǎn)生、輸運(yùn)和弛豫特性，確定自旋流與電荷流之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，以及自旋流在亞鐵磁層中的穿透深度和衰減規(guī)律；全面研究自旋軌道矩對(duì)亞鐵磁層磁矩的調(diào)控作用，明確自旋軌道矩的大小、方向與亞鐵磁層磁矩的相互作用方式，以及如何通過(guò)外部電場(chǎng)、磁場(chǎng)等條件實(shí)現(xiàn)對(duì)磁矩的高效調(diào)控；深入分析重金屬亞鐵磁合金異質(zhì)結(jié)界面的微觀結(jié)構(gòu)和電子態(tài)對(duì)自旋相關(guān)輸運(yùn)的影響，揭示界面處自旋散射、自旋極化等過(guò)程的物理本質(zhì)，以及界面粗糙度、界面合金化等因素對(duì)自旋輸運(yùn)的影響機(jī)制；基于上述研究成果，探索新型的自旋電子學(xué)器件結(jié)構(gòu)和工作原理，為實(shí)現(xiàn)高速、低功耗、高存儲(chǔ)密度的信息存儲(chǔ)和處理器件提供理論指導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。本研究的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：在研究體系上，選擇具有獨(dú)特磁特性的亞鐵磁合金與具有強(qiáng)自旋軌道耦合效應(yīng)的重金屬構(gòu)成異質(zhì)結(jié)，相較于傳統(tǒng)的鐵磁-重金屬異質(zhì)結(jié)，亞鐵磁合金的兩套反平行磁性子晶格結(jié)構(gòu)為研究自旋相關(guān)輸運(yùn)提供了新的維度，有望揭示出全新的物理現(xiàn)象和機(jī)制。在研究方法上，綜合運(yùn)用多種先進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)，如角分辨光電子能譜（ARPES）、掃描隧道顯微鏡（STM）、磁光克爾效應(yīng)（MOKE）等，對(duì)異質(zhì)結(jié)的微觀結(jié)構(gòu)、電子態(tài)和宏觀磁學(xué)性質(zhì)進(jìn)行全面、深入的表征。同時(shí)，結(jié)合第一性原理計(jì)算和相場(chǎng)模擬等理論方法，從原子尺度和宏觀尺度對(duì)自旋相關(guān)輸運(yùn)過(guò)程進(jìn)行理論分析和模擬，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)與理論的緊密結(jié)合，為研究提供更全面、準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)。在研究?jī)?nèi)容上，重點(diǎn)關(guān)注自旋軌道矩在亞鐵磁合金中的獨(dú)特行為，以及界面效應(yīng)對(duì)自旋相關(guān)輸運(yùn)的影響。通過(guò)精確控制異質(zhì)結(jié)的界面質(zhì)量和亞鐵磁合金的成分、結(jié)構(gòu)，深入研究自旋軌道矩在不同自旋弛豫機(jī)制下的變化規(guī)律，以及界面處自旋散射和自旋極化對(duì)自旋輸運(yùn)的影響，有望揭示出新的物理機(jī)制，為自旋電子學(xué)器件的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供新的思路。1.3國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在自旋電子學(xué)領(lǐng)域，重金屬亞鐵磁合金異質(zhì)結(jié)的研究近年來(lái)取得了顯著進(jìn)展。國(guó)外研究起步較早，在理論和實(shí)驗(yàn)方面都開(kāi)展了大量工作。美國(guó)、日本、德國(guó)等國(guó)家的科研團(tuán)隊(duì)在該領(lǐng)域處于國(guó)際前沿水平。美國(guó)康奈爾大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)高精度的輸運(yùn)測(cè)量實(shí)驗(yàn)，對(duì)重金屬/亞鐵磁異質(zhì)結(jié)中自旋軌道矩的產(chǎn)生和調(diào)控機(jī)制進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)了自旋軌道矩與亞鐵磁層磁矩之間的復(fù)雜相互作用關(guān)系，為理解自旋相關(guān)輸運(yùn)提供了重要的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。日本的科研人員利用先進(jìn)的薄膜制備技術(shù)，成功制備出高質(zhì)量的重金屬亞鐵磁合金異質(zhì)結(jié)，并通過(guò)角分辨光電子能譜等手段，對(duì)異質(zhì)結(jié)界面的電子態(tài)進(jìn)行了詳細(xì)表征，揭示了界面電子結(jié)構(gòu)對(duì)自旋輸運(yùn)的影響規(guī)律。德國(guó)的研究小組則從理論計(jì)算出發(fā)，運(yùn)用第一性原理方法，對(duì)重金屬亞鐵磁合金異質(zhì)結(jié)中的自旋相關(guān)輸運(yùn)過(guò)程進(jìn)行了模擬，預(yù)測(cè)了一些新的物理現(xiàn)象和潛在應(yīng)用。國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的研究也發(fā)展迅速，眾多科研機(jī)構(gòu)和高校積極參與。中科院半導(dǎo)體所的朱禮軍研究員和美國(guó)康奈爾大學(xué)DanielC.Ralph教授合作，克服了一系列技術(shù)難題，首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)自旋霍爾金屬/亞鐵磁異質(zhì)結(jié)中自旋輸運(yùn)和弛豫行為的精準(zhǔn)定量研究。他們發(fā)現(xiàn)同一自旋流施加的自旋軌道矩隨著亞鐵磁層中磁性補(bǔ)償快速變化并在靠近磁矩補(bǔ)償點(diǎn)時(shí)逐漸減小為零，清楚地揭示了不同自旋弛豫機(jī)理之間的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)自旋軌道矩大小的關(guān)鍵決定作用，意味著“界面自旋扭矩”概念在亞鐵磁和反鐵磁體系中失效。中國(guó)科學(xué)院物理研究所的研究團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)地研究了重金屬Pt、W作為T(mén)bFeCo超薄膜的緩沖層和覆蓋層對(duì)其室溫下磁性和熱穩(wěn)定性的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，被SiO2包覆的TbFeCo薄膜具有垂直磁各向異性，磁矩補(bǔ)償成分在一定范圍內(nèi)；用Pt包覆的TbFeCo超薄膜不出現(xiàn)磁矩補(bǔ)償現(xiàn)象，且在退火后垂直磁各向異性消失；當(dāng)以W作為包覆層時(shí)，超薄TbFeCo的磁矩補(bǔ)償點(diǎn)復(fù)現(xiàn)，且經(jīng)過(guò)高溫退火后依然保持良好的垂直磁各向異性。盡管?chē)?guó)內(nèi)外在重金屬亞鐵磁合金異質(zhì)結(jié)的自旋相關(guān)輸運(yùn)研究方面取得了一定成果，但仍存在一些不足之處。在自旋流的產(chǎn)生和輸運(yùn)機(jī)制方面，雖然已經(jīng)有了一些定性的認(rèn)識(shí)，但對(duì)于自旋流在復(fù)雜異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的具體輸運(yùn)路徑和散射過(guò)程，以及自旋流與亞鐵磁層中不同磁子結(jié)構(gòu)的相互作用細(xì)節(jié)，還缺乏深入的理解。在自旋軌道矩對(duì)亞鐵磁層磁矩的調(diào)控研究中，目前主要集中在對(duì)宏觀磁矩的調(diào)控觀察，對(duì)于微觀層面上磁矩的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，如磁矩翻轉(zhuǎn)的瞬態(tài)行為、自旋軌道矩在不同磁晶各向異性條件下的作用機(jī)制等，還需要進(jìn)一步的研究。此外，在異質(zhì)結(jié)界面的研究中，雖然已經(jīng)認(rèn)識(shí)到界面質(zhì)量對(duì)自旋相關(guān)輸運(yùn)有重要影響，但如何精確控制界面的微觀結(jié)構(gòu)和電子態(tài)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)自旋輸運(yùn)的有效調(diào)控，仍然是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。本文將針對(duì)上述研究不足，從自旋流的產(chǎn)生與輸運(yùn)、自旋軌道矩對(duì)磁矩的調(diào)控以及界面效應(yīng)等方面展開(kāi)深入研究，期望能夠揭示重金屬亞鐵磁合金異質(zhì)結(jié)中自旋相關(guān)輸運(yùn)的新物理機(jī)制，為自旋電子學(xué)器件的發(fā)展提供更堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。二、重金屬亞鐵磁合金異質(zhì)結(jié)概述2.1亞鐵磁材料特性亞鐵磁材料是一類(lèi)具有獨(dú)特磁特性的材料，其磁性源于內(nèi)部原子磁矩的有序排列。在原子尺度上，亞鐵磁材料中的過(guò)渡族元素，如鐵（Fe）、鈷（Co）、鎳（Ni）等，部分電子處于半填滿或接近半填滿的軌道狀態(tài)，形成了局域自旋磁矩。這些局域磁矩之間通過(guò)交換作用相互影響，使得磁矩在一定程度上呈現(xiàn)有序排列。從晶體結(jié)構(gòu)來(lái)看，亞鐵磁材料通常具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)，如尖晶石結(jié)構(gòu)、石榴石結(jié)構(gòu)等。以尖晶石結(jié)構(gòu)的鐵氧體（MFe_2O_4，其中M可以是二價(jià)金屬離子，如Mn、Zn、Ni等）為例，其晶體結(jié)構(gòu)中包含了兩種不同的金屬離子占位，即四面體位置（A位）和八面體位置（B位）。不同位置上的金屬離子磁矩方向相反，但由于磁矩大小不相等，導(dǎo)致整體存在凈磁矩，從而表現(xiàn)出亞鐵磁性。在磁特性方面，亞鐵磁材料的磁矩排列呈現(xiàn)出獨(dú)特的特征。在磁疇內(nèi)，相鄰原子間電子的交換作用或其他相互作用，使它們的磁矩處于部分抵消的有序排列狀態(tài)。與鐵磁材料中所有原子磁矩平行排列不同，亞鐵磁材料中存在兩套反平行排列的磁性子晶格，這使得其磁特性兼具鐵磁和反鐵磁的部分特點(diǎn)。當(dāng)施加外磁場(chǎng)后，其磁化強(qiáng)度隨外磁場(chǎng)的變化與鐵磁性物質(zhì)相似，但在磁化強(qiáng)度的大小和變化速率等方面存在差異。磁晶各向異性也是亞鐵磁材料的重要磁特性之一。磁晶各向異性是指材料的磁性隨晶體方向的不同而表現(xiàn)出差異的性質(zhì)。這種各向異性源于晶體結(jié)構(gòu)中原子的周期性排列以及電子云分布的各向異性。在亞鐵磁材料中，磁晶各向異性會(huì)影響磁矩的取向和磁化過(guò)程。例如，在具有單軸磁晶各向異性的亞鐵磁材料中，磁矩傾向于沿著某一特定的晶體軸方向排列，這個(gè)方向被稱(chēng)為易磁化軸。當(dāng)外磁場(chǎng)方向與易磁化軸方向一致時(shí)，磁化過(guò)程相對(duì)容易，所需的磁場(chǎng)能量較低；而當(dāng)外磁場(chǎng)方向與易磁化軸垂直時(shí)，磁化過(guò)程則需要克服較大的磁晶各向異性能壘，所需磁場(chǎng)能量較高。磁晶各向異性對(duì)亞鐵磁材料在自旋電子學(xué)器件中的應(yīng)用具有重要影響，它可以用于控制磁矩的穩(wěn)定性和翻轉(zhuǎn)行為，從而實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)和處理。亞鐵磁材料的居里溫度也是其重要的磁特性參數(shù)。居里溫度是指材料從鐵磁性或亞鐵磁性轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判缘呐R界溫度。在居里溫度以下，亞鐵磁材料的磁矩保持部分有序排列，呈現(xiàn)出亞鐵磁性；而當(dāng)溫度升高到居里溫度以上時(shí)，熱運(yùn)動(dòng)的能量足以破壞磁矩的有序排列，材料的磁性轉(zhuǎn)變?yōu)轫槾判裕呕瘡?qiáng)度隨溫度的升高而急劇下降。不同的亞鐵磁材料具有不同的居里溫度，這取決于材料的成分、晶體結(jié)構(gòu)以及原子間的相互作用等因素。例如，常見(jiàn)的亞鐵磁材料釔鐵石榴石（YIG，Y_3Fe_5O_{12}）的居里溫度約為560K，而一些稀土-過(guò)渡金屬亞鐵磁合金的居里溫度則可以通過(guò)調(diào)整成分在較寬的范圍內(nèi)變化。居里溫度的高低對(duì)于亞鐵磁材料在實(shí)際應(yīng)用中的工作溫度范圍具有重要限制，在設(shè)計(jì)和應(yīng)用亞鐵磁材料時(shí)，需要充分考慮其居里溫度與實(shí)際工作環(huán)境溫度的匹配性。2.2重金屬特性及其在異質(zhì)結(jié)中的作用重金屬通常指的是具有較大原子序數(shù)和相對(duì)原子質(zhì)量的金屬元素，在自旋電子學(xué)研究中，常見(jiàn)的重金屬如鉑（Pt）、鎢（W）、鉭（Ta）等，具有一些獨(dú)特的物理特性，這些特性使其在重金屬亞鐵磁合金異質(zhì)結(jié)中發(fā)揮著重要作用。高自旋軌道耦合效應(yīng)是重金屬的顯著特性之一。自旋軌道耦合是電子的內(nèi)稟角動(dòng)量（自旋）與其軌道角動(dòng)量之間的相互作用。在重金屬中，由于原子的內(nèi)層電子受到原子核的強(qiáng)庫(kù)侖作用，電子的運(yùn)動(dòng)速度較快，相對(duì)論效應(yīng)顯著，導(dǎo)致自旋軌道耦合作用增強(qiáng)。以鉑為例，其原子的電子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)層電子的相對(duì)論效應(yīng)使得自旋軌道耦合強(qiáng)度較大。這種強(qiáng)自旋軌道耦合效應(yīng)使得重金屬在自旋相關(guān)輸運(yùn)中扮演著關(guān)鍵角色。當(dāng)在重金屬中通入電荷流時(shí)，由于自旋軌道耦合作用，會(huì)產(chǎn)生自旋流，即發(fā)生自旋-軌道效應(yīng)。其中，自旋霍爾效應(yīng)是自旋-軌道效應(yīng)的一種重要表現(xiàn)形式。在自旋霍爾效應(yīng)中，當(dāng)電流通過(guò)具有強(qiáng)自旋軌道耦合的重金屬時(shí)，會(huì)在垂直于電流方向上產(chǎn)生橫向的自旋積累，形成自旋流。自旋流的產(chǎn)生方向與電流方向和自旋軌道耦合的方向有關(guān)。這種自旋流可以通過(guò)異質(zhì)結(jié)界面注入到相鄰的亞鐵磁層中，從而引發(fā)一系列自旋相關(guān)的物理現(xiàn)象。重金屬在異質(zhì)結(jié)中能夠產(chǎn)生自旋軌道矩，這對(duì)亞鐵磁層的磁矩調(diào)控具有重要意義。自旋軌道矩是由于自旋流與磁性材料的相互作用而產(chǎn)生的，它可以對(duì)磁性材料的磁矩施加力矩，從而改變磁矩的方向。在重金屬亞鐵磁合金異質(zhì)結(jié)中，當(dāng)自旋流從重金屬注入到亞鐵磁層時(shí)，會(huì)與亞鐵磁層中的磁矩發(fā)生交換相互作用，產(chǎn)生自旋軌道矩。自旋軌道矩的大小和方向與自旋流的特性、重金屬與亞鐵磁層之間的界面性質(zhì)以及亞鐵磁層的磁特性等因素密切相關(guān)。通過(guò)調(diào)節(jié)這些因素，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)自旋軌道矩的有效控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)亞鐵磁層磁矩的精確調(diào)控。例如，通過(guò)改變重金屬的種類(lèi)和厚度，可以調(diào)整自旋流的產(chǎn)生效率和特性，從而影響自旋軌道矩的大小。同時(shí)，優(yōu)化異質(zhì)結(jié)界面的質(zhì)量，如減小界面粗糙度、控制界面合金化等，可以增強(qiáng)自旋流在界面的傳輸效率，提高自旋軌道矩對(duì)磁矩的調(diào)控效果。重金屬還對(duì)異質(zhì)結(jié)的界面性質(zhì)和電子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要影響。在異質(zhì)結(jié)的制備過(guò)程中，重金屬與亞鐵磁合金的界面會(huì)形成特定的原子排列和電子云分布。界面處的原子間相互作用會(huì)導(dǎo)致電子的散射和自旋極化等現(xiàn)象。界面粗糙度會(huì)影響自旋流在界面的傳輸，較大的界面粗糙度會(huì)增加自旋散射，降低自旋流的傳輸效率。而界面合金化則可能改變界面處的電子結(jié)構(gòu)和磁性，進(jìn)而影響自旋相關(guān)輸運(yùn)過(guò)程。重金屬的存在還會(huì)對(duì)異質(zhì)結(jié)的整體電子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，改變電子的能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度分布。這種電子結(jié)構(gòu)的變化會(huì)影響電子的輸運(yùn)性質(zhì)和自旋相關(guān)的物理過(guò)程。通過(guò)第一性原理計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，在某些重金屬亞鐵磁合金異質(zhì)結(jié)中，重金屬的引入會(huì)導(dǎo)致界面附近的電子態(tài)發(fā)生重構(gòu)，形成新的電子束縛態(tài)，這些束縛態(tài)可能對(duì)自旋輸運(yùn)產(chǎn)生阻礙或促進(jìn)作用，具體取決于束縛態(tài)的能量位置和自旋特性。2.3異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)與制備方法2.3.1常見(jiàn)結(jié)構(gòu)類(lèi)型重金屬亞鐵磁合金異質(zhì)結(jié)常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)類(lèi)型主要包括薄膜-薄膜結(jié)構(gòu)、多層膜結(jié)構(gòu)以及納米顆粒鑲嵌結(jié)構(gòu)等，每種結(jié)構(gòu)都具有獨(dú)特的特點(diǎn)和對(duì)自旋相關(guān)輸運(yùn)的潛在影響。薄膜-薄膜結(jié)構(gòu)是最基本的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，由一層重金屬薄膜與一層亞鐵磁合金薄膜直接接觸組成。在這種結(jié)構(gòu)中，重金屬層利用其強(qiáng)自旋軌道耦合效應(yīng)產(chǎn)生自旋流，亞鐵磁層則提供磁性背景用于自旋相關(guān)的相互作用。以典型的Pt/CoFeB薄膜-薄膜異質(zhì)結(jié)為例，當(dāng)電流通過(guò)Pt層時(shí)，由于自旋霍爾效應(yīng)，在垂直于電流方向上產(chǎn)生自旋流，這些自旋流可以通過(guò)Pt/CoFeB界面注入到CoFeB亞鐵磁層中。界面處的自旋注入效率和自旋相關(guān)的散射過(guò)程對(duì)自旋相關(guān)輸運(yùn)起著關(guān)鍵作用。如果界面質(zhì)量良好，自旋流能夠高效地注入到亞鐵磁層中，從而引發(fā)明顯的自旋軌道矩效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)CoFeB磁矩的有效調(diào)控。而界面處的雜質(zhì)、粗糙度等因素會(huì)增加自旋散射，降低自旋注入效率，進(jìn)而影響自旋相關(guān)輸運(yùn)特性。這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制備和研究，能夠直觀地展示重金屬與亞鐵磁合金之間的自旋相關(guān)相互作用，為研究自旋相關(guān)輸運(yùn)的基本物理機(jī)制提供了基礎(chǔ)平臺(tái)。多層膜結(jié)構(gòu)則是由多個(gè)重金屬層和亞鐵磁合金層交替堆疊而成，如（Pt/CoFeB）n多層膜結(jié)構(gòu)（n表示重復(fù)周期數(shù)）。在多層膜結(jié)構(gòu)中，除了每層內(nèi)部的自旋相關(guān)過(guò)程外，層間的相互作用對(duì)自旋相關(guān)輸運(yùn)產(chǎn)生重要影響。相鄰層之間的界面會(huì)存在一定的自旋耦合作用，這種耦合作用可以影響自旋流在多層膜中的傳輸路徑和自旋極化狀態(tài)。隨著層數(shù)的增加，自旋流在傳輸過(guò)程中會(huì)經(jīng)歷多次界面散射，不同界面的散射特性以及層間耦合的協(xié)同作用，使得自旋相關(guān)輸運(yùn)變得更加復(fù)雜。多層膜結(jié)構(gòu)還可以通過(guò)調(diào)整各層的厚度、成分等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)自旋相關(guān)輸運(yùn)特性的精細(xì)調(diào)控。例如，通過(guò)改變CoFeB層的厚度，可以調(diào)整其磁各向異性和磁矩大小，進(jìn)而影響自旋軌道矩對(duì)磁矩的調(diào)控效果；通過(guò)調(diào)整Pt層的厚度，可以改變自旋流的產(chǎn)生效率和特性，從而優(yōu)化自旋相關(guān)輸運(yùn)性能。多層膜結(jié)構(gòu)在提高自旋相關(guān)輸運(yùn)效率和實(shí)現(xiàn)多功能集成方面具有潛在優(yōu)勢(shì)，為自旋電子學(xué)器件的設(shè)計(jì)提供了更多的自由度。納米顆粒鑲嵌結(jié)構(gòu)是將亞鐵磁合金納米顆粒均勻地鑲嵌在重金屬基體中形成的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，納米顆粒的尺寸、形狀、分布以及與重金屬基體的界面相互作用等因素對(duì)自旋相關(guān)輸運(yùn)產(chǎn)生重要影響。由于納米顆粒具有較大的比表面積，其表面的原子與內(nèi)部原子的環(huán)境不同，導(dǎo)致表面原子的自旋狀態(tài)和磁性與內(nèi)部存在差異。納米顆粒與重金屬基體之間的界面也會(huì)形成特定的電子結(jié)構(gòu)和自旋散射中心。當(dāng)自旋流通過(guò)這種結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)在納米顆粒表面和界面處發(fā)生復(fù)雜的自旋散射和自旋極化過(guò)程。納米顆粒的尺寸效應(yīng)會(huì)影響自旋弛豫時(shí)間和自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度，進(jìn)而影響自旋相關(guān)輸運(yùn)特性。較小尺寸的納米顆?？赡軙?huì)增強(qiáng)自旋散射，導(dǎo)致自旋弛豫加快，自旋相關(guān)輸運(yùn)效率降低；而適當(dāng)尺寸的納米顆?？梢酝ㄟ^(guò)量子限域效應(yīng)等機(jī)制，調(diào)控自旋相關(guān)輸運(yùn)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)一些特殊的自旋相關(guān)物理現(xiàn)象。納米顆粒鑲嵌結(jié)構(gòu)在探索新型自旋相關(guān)物理效應(yīng)和開(kāi)發(fā)具有特殊功能的自旋電子學(xué)器件方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。2.3.2制備技術(shù)與工藝制備重金屬亞鐵磁合金異質(zhì)結(jié)常用的技術(shù)包括分子束外延（MBE）、磁控濺射等，這些技術(shù)的工藝參數(shù)對(duì)異質(zhì)結(jié)的質(zhì)量和性能有著關(guān)鍵影響。分子束外延是一種在超高真空環(huán)境下進(jìn)行薄膜生長(zhǎng)的技術(shù)，具有原子級(jí)別的精確控制能力。在分子束外延制備重金屬亞鐵磁合金異質(zhì)結(jié)的過(guò)程中，將組成異質(zhì)結(jié)的各種原子或分子束蒸發(fā)后，通過(guò)準(zhǔn)直系統(tǒng)使其定向射向經(jīng)過(guò)嚴(yán)格處理的襯底表面。在襯底表面，原子或分子按照一定的晶體學(xué)取向逐層生長(zhǎng)，形成高質(zhì)量的薄膜。在生長(zhǎng)過(guò)程中，通過(guò)精確控制分子束的通量、襯底溫度、生長(zhǎng)速率等參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜的原子排列、晶格結(jié)構(gòu)以及界面平整度的精確調(diào)控。例如，在生長(zhǎng)重金屬Pt和亞鐵磁合金CoFeB異質(zhì)結(jié)時(shí)，通過(guò)精確控制Pt原子束和Co、Fe、B原子束的通量，可以精確控制Pt層和CoFeB層的厚度和成分。合適的襯底溫度對(duì)于薄膜的生長(zhǎng)質(zhì)量至關(guān)重要，過(guò)高的溫度可能導(dǎo)致原子的擴(kuò)散加劇，影響薄膜的平整度和界面的陡峭程度；而過(guò)低的溫度則可能導(dǎo)致原子的遷移率不足，形成缺陷較多的薄膜。精確控制生長(zhǎng)速率可以保證薄膜的均勻性和原子排列的有序性。由于分子束外延能夠?qū)崿F(xiàn)原子級(jí)別的精確控制，制備出的異質(zhì)結(jié)具有原子級(jí)平整的界面、低缺陷密度和精確的層厚控制，這對(duì)于研究自旋相關(guān)輸運(yùn)的微觀機(jī)制以及制備高性能的自旋電子學(xué)器件具有重要意義。然而，分子束外延技術(shù)設(shè)備昂貴，生長(zhǎng)速度緩慢，產(chǎn)量較低，限制了其大規(guī)模應(yīng)用。磁控濺射是另一種廣泛應(yīng)用的制備異質(zhì)結(jié)的技術(shù)，它是在高真空環(huán)境下，利用等離子體中的離子轟擊靶材，使靶材原子濺射出來(lái)并沉積在襯底表面形成薄膜。在磁控濺射制備重金屬亞鐵磁合金異質(zhì)結(jié)時(shí)，通常將重金屬靶材和亞鐵磁合金靶材分別安裝在不同的濺射源上。通過(guò)調(diào)節(jié)濺射功率、濺射氣壓、濺射時(shí)間等工藝參數(shù)，可以控制薄膜的生長(zhǎng)速率、成分和厚度。較高的濺射功率可以增加靶材原子的濺射速率，從而提高薄膜的生長(zhǎng)速度，但同時(shí)也可能導(dǎo)致薄膜的結(jié)晶質(zhì)量下降，引入更多的缺陷。濺射氣壓會(huì)影響等離子體中離子的平均自由程和離子與原子的碰撞概率，進(jìn)而影響薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程和質(zhì)量。合適的濺射氣壓可以使原子在到達(dá)襯底表面時(shí)具有適當(dāng)?shù)哪芰亢瓦w移率，有利于形成高質(zhì)量的薄膜。濺射時(shí)間則直接決定了薄膜的厚度。通過(guò)精確控制濺射時(shí)間，可以制備出不同厚度的薄膜。磁控濺射技術(shù)具有設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單、成本較低、生長(zhǎng)速度較快、能夠制備大面積薄膜等優(yōu)點(diǎn)，適用于工業(yè)化生產(chǎn)。然而，與分子束外延相比，磁控濺射制備的異質(zhì)結(jié)界面平整度和原子排列的精確性稍遜一籌，可能會(huì)存在一定的界面粗糙度和雜質(zhì)，這些因素會(huì)對(duì)自旋相關(guān)輸運(yùn)產(chǎn)生一定的影響。在制備過(guò)程中，需要通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)，盡量減少這些不利因素，以提高異質(zhì)結(jié)的質(zhì)量和性能。三、自旋相關(guān)輸運(yùn)的基本原理3.1自旋極化與自旋流自旋極化是指電子的自旋方向呈現(xiàn)出一定程度的有序排列，使得材料中具有凈自旋磁矩。在鐵磁材料和亞鐵磁材料中，由于交換相互作用，電子的自旋傾向于平行排列，從而產(chǎn)生自旋極化。在金屬鐵（Fe）中，其原子的3d電子軌道未完全填滿，電子的自旋磁矩在交換相互作用下趨于平行排列，使得鐵具有明顯的自旋極化特性。在自旋電子學(xué)中，自旋極化通常用自旋極化率來(lái)定量描述。自旋極化率P定義為：P=\frac{n_{\uparrow}-n_{\downarrow}}{n_{\uparrow}+n_{\downarrow}}其中，n_{\uparrow}和n_{\downarrow}分別表示自旋向上和自旋向下的電子數(shù)。當(dāng)P=1時(shí)，表示所有電子的自旋方向完全一致，即完全極化；當(dāng)P=0時(shí)，表示自旋向上和自旋向下的電子數(shù)相等，沒(méi)有自旋極化。在實(shí)際材料中，自旋極化率通常介于0和1之間。例如，在一些鐵磁金屬中，自旋極化率可以達(dá)到0.5-0.7左右。自旋極化的電子在輸運(yùn)過(guò)程中，其自旋方向的變化會(huì)影響材料的電學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)。如果自旋極化的電子在輸運(yùn)過(guò)程中遇到雜質(zhì)或缺陷，自旋方向可能會(huì)發(fā)生散射而改變，導(dǎo)致自旋極化率降低，進(jìn)而影響材料的自旋相關(guān)輸運(yùn)特性。自旋流是指由自旋極化的電子流動(dòng)所攜帶的自旋角動(dòng)量流。它是自旋電子學(xué)中的一個(gè)重要概念，與傳統(tǒng)的電荷流相對(duì)應(yīng)。在傳統(tǒng)的電子學(xué)中，電流是由電荷的定向移動(dòng)產(chǎn)生的，而在自旋電子學(xué)中，自旋流則是由自旋極化電子的定向移動(dòng)產(chǎn)生的。自旋流的產(chǎn)生機(jī)制主要與自旋軌道耦合效應(yīng)密切相關(guān)。如前文所述，在具有強(qiáng)自旋軌道耦合的重金屬中，當(dāng)有電荷流通過(guò)時(shí)，由于自旋軌道耦合作用，會(huì)在垂直于電流方向上產(chǎn)生自旋積累，從而形成自旋流。這種由電荷流轉(zhuǎn)換而來(lái)的自旋流，其自旋極化方向與電流方向和自旋軌道耦合的方向有關(guān)。除了通過(guò)自旋軌道耦合效應(yīng)產(chǎn)生自旋流外，還可以通過(guò)其他方式產(chǎn)生。在鐵磁體與非磁體的界面處，當(dāng)鐵磁體中的自旋極化電子擴(kuò)散到非磁體中時(shí)，也會(huì)形成自旋流。這種自旋流的產(chǎn)生源于鐵磁體中自旋極化電子的濃度梯度，使得電子從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域擴(kuò)散，從而攜帶自旋角動(dòng)量形成自旋流。自旋流在材料中的傳輸機(jī)制較為復(fù)雜，涉及到自旋極化電子與晶格、雜質(zhì)以及其他電子之間的相互作用。自旋極化電子在傳輸過(guò)程中會(huì)與晶格振動(dòng)（聲子）相互作用，這種相互作用會(huì)導(dǎo)致自旋極化電子的能量損失和自旋方向的散射。聲子散射會(huì)使自旋極化電子的自旋方向發(fā)生隨機(jī)改變，從而降低自旋流的傳輸效率。自旋極化電子還會(huì)與材料中的雜質(zhì)原子發(fā)生散射，雜質(zhì)散射同樣會(huì)影響自旋流的傳輸。雜質(zhì)原子的存在會(huì)破壞材料的周期性勢(shì)場(chǎng)，使得自旋極化電子在遇到雜質(zhì)時(shí)，自旋方向發(fā)生改變，導(dǎo)致自旋流的衰減。自旋極化電子之間也存在相互作用，這種相互作用會(huì)影響自旋流的傳輸特性。電子之間的庫(kù)侖相互作用會(huì)導(dǎo)致電子的自旋極化狀態(tài)發(fā)生變化，進(jìn)而影響自旋流的傳輸。為了描述自旋流的傳輸過(guò)程，人們建立了一系列理論模型，其中較為常用的是漂移-擴(kuò)散模型和Landauer-Büttiker理論。漂移-擴(kuò)散模型將自旋極化電子的輸運(yùn)看作是由漂移和擴(kuò)散兩個(gè)過(guò)程組成。在漂移過(guò)程中，自旋極化電子在外加電場(chǎng)的作用下定向移動(dòng)；在擴(kuò)散過(guò)程中，自旋極化電子由于濃度梯度的存在而進(jìn)行擴(kuò)散。該模型通過(guò)引入自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度和自旋弛豫時(shí)間等參數(shù)，來(lái)描述自旋流在傳輸過(guò)程中的衰減和自旋極化的變化。自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度表示自旋極化電子在材料中能夠保持其自旋方向的平均距離，自旋弛豫時(shí)間則表示自旋極化電子的自旋方向從初始狀態(tài)變?yōu)闊o(wú)序狀態(tài)所需的平均時(shí)間。Landauer-Büttiker理論則從量子力學(xué)的角度出發(fā)，將材料中的輸運(yùn)過(guò)程看作是電子在不同散射中心之間的隧穿過(guò)程。該理論通過(guò)計(jì)算電子在不同散射中心之間的傳輸概率，來(lái)描述自旋流的傳輸特性。在Landauer-Büttiker理論中，考慮了電子的波函數(shù)在散射過(guò)程中的相位變化以及自旋軌道耦合等因素對(duì)傳輸概率的影響，能夠更準(zhǔn)確地描述自旋流在復(fù)雜異質(zhì)結(jié)構(gòu)中的傳輸過(guò)程。3.2自旋軌道耦合效應(yīng)3.2.1原理與表現(xiàn)形式自旋軌道耦合是指電子的內(nèi)稟角動(dòng)量（自旋）與它繞原子核的軌道角動(dòng)量之間的相互作用。從微觀角度來(lái)看，當(dāng)電子在原子核周?chē)\(yùn)動(dòng)時(shí)，電子會(huì)感受到一個(gè)等效磁場(chǎng)，這個(gè)等效磁場(chǎng)與電子的自旋磁矩相互作用，從而產(chǎn)生自旋軌道耦合。在原子中，電子的自旋磁矩與它在原子核產(chǎn)生的磁場(chǎng)的相互作用是自旋軌道耦合的起源。當(dāng)電子的自旋與軌道角動(dòng)量平行時(shí)，自旋磁矩與磁場(chǎng)同向，電子的能量降低；當(dāng)自旋與軌道角動(dòng)量反平行時(shí)，自旋磁矩與磁場(chǎng)反向，電子的能量升高，這種能量差稱(chēng)為自旋軌道分裂。在重金屬中，由于原子的內(nèi)層電子受到原子核的強(qiáng)庫(kù)侖作用，電子運(yùn)動(dòng)速度快，相對(duì)論效應(yīng)顯著，使得自旋軌道耦合作用增強(qiáng)。自旋軌道耦合效應(yīng)在重金屬亞鐵磁合金異質(zhì)結(jié)中主要表現(xiàn)為自旋霍爾效應(yīng)和Rashba效應(yīng)等。自旋霍爾效應(yīng)是指當(dāng)電流通過(guò)具有強(qiáng)自旋軌道耦合的重金屬時(shí)，在垂直于電流方向上會(huì)產(chǎn)生橫向的自旋積累，形成自旋流。這種自旋流的產(chǎn)生是由于自旋軌道耦合導(dǎo)致電子的自旋與動(dòng)量之間存在特定的關(guān)聯(lián)，使得在電場(chǎng)作用下，不同自旋方向的電子會(huì)向相反的橫向方向偏轉(zhuǎn)，從而形成自旋積累。自旋霍爾效應(yīng)可以通過(guò)自旋霍爾角來(lái)定量描述，自旋霍爾角表示自旋流與電荷流之間的轉(zhuǎn)換效率。Rashba效應(yīng)則是由于結(jié)構(gòu)反演不對(duì)稱(chēng)性引起的自旋軌道耦合效應(yīng)。在異質(zhì)結(jié)的界面處，由于晶體結(jié)構(gòu)的非中心對(duì)稱(chēng)性，會(huì)導(dǎo)致能帶傾斜，從而產(chǎn)生Rashba自旋軌道耦合。在這種情況下，電子在運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)感受到一個(gè)垂直于其動(dòng)量方向的自旋軌道力，這個(gè)力會(huì)使電子的自旋發(fā)生進(jìn)動(dòng)。Rashba效應(yīng)的強(qiáng)度可以通過(guò)外加電場(chǎng)來(lái)調(diào)控，在半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)中，Rashba自旋軌道耦合強(qiáng)度可由柵極電壓調(diào)控。在重金屬亞鐵磁合金異質(zhì)結(jié)中，通過(guò)在界面處施加電場(chǎng)，可以改變界面處的電子結(jié)構(gòu)和自旋軌道耦合強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)自旋相關(guān)輸運(yùn)的調(diào)控。3.2.2對(duì)自旋相關(guān)輸運(yùn)的影響自旋軌道耦合效應(yīng)在重金屬亞鐵磁合金異質(zhì)結(jié)中對(duì)自旋相關(guān)輸運(yùn)有著多方面的重要影響，深刻改變了自旋相關(guān)的物理過(guò)程和器件性能。自旋軌道耦合顯著改變了自旋弛豫時(shí)間。自旋弛豫是指自旋極化的電子在材料中由于各種相互作用，其自旋方向逐漸從有序變?yōu)闊o(wú)序的過(guò)程，自旋弛豫時(shí)間則是衡量這個(gè)過(guò)程快慢的重要參數(shù)。在存在自旋軌道耦合的體系中，電子的自旋與軌道運(yùn)動(dòng)相互關(guān)聯(lián)，使得自旋弛豫機(jī)制變得更加復(fù)雜。自旋軌道耦合會(huì)引入額外的自旋-軌道散射過(guò)程，電子在與晶格振動(dòng)（聲子）、雜質(zhì)等相互作用時(shí)，自旋軌道耦合會(huì)影響散射的概率和方式，進(jìn)而改變自旋弛豫時(shí)間。在一些具有強(qiáng)自旋軌道耦合的重金屬中，電子與聲子的散射過(guò)程中，自旋軌道耦合會(huì)使得電子的自旋方向更容易發(fā)生改變，從而加快自旋弛豫。而在某些特定的材料結(jié)構(gòu)和條件下，自旋軌道耦合也可以通過(guò)量子干涉等效應(yīng)，抑制自旋弛豫，延長(zhǎng)自旋弛豫時(shí)間。自旋弛豫時(shí)間的改變對(duì)自旋相關(guān)輸運(yùn)至關(guān)重要，較短的自旋弛豫時(shí)間會(huì)導(dǎo)致自旋極化電子在輸運(yùn)過(guò)程中迅速失去自旋極化信息，限制了自旋相關(guān)器件的性能；而較長(zhǎng)的自旋弛豫時(shí)間則有利于自旋信息的長(zhǎng)距離傳輸和高效利用，為實(shí)現(xiàn)高性能的自旋電子學(xué)器件提供了條件。自旋軌道耦合能夠產(chǎn)生自旋軌道矩，這是其對(duì)自旋相關(guān)輸運(yùn)的另一個(gè)重要影響。當(dāng)自旋流從具有強(qiáng)自旋軌道耦合的重金屬注入到亞鐵磁層時(shí)，自旋流與亞鐵磁層中的磁矩發(fā)生交換相互作用，從而產(chǎn)生自旋軌道矩。自旋軌道矩可以對(duì)亞鐵磁層的磁矩施加力矩，改變磁矩的方向，實(shí)現(xiàn)對(duì)磁矩的調(diào)控。自旋軌道矩的大小和方向與自旋流的特性、重金屬與亞鐵磁層之間的界面性質(zhì)以及亞鐵磁層的磁特性等因素密切相關(guān)。通過(guò)調(diào)節(jié)這些因素，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)自旋軌道矩的有效控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)亞鐵磁層磁矩的精確調(diào)控。在實(shí)際應(yīng)用中，利用自旋軌道矩可以實(shí)現(xiàn)磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（MRAM）中磁矩的快速翻轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)信息的高速讀寫(xiě)。通過(guò)優(yōu)化重金屬和亞鐵磁層的材料組合、調(diào)整異質(zhì)結(jié)界面的質(zhì)量以及施加合適的外部電場(chǎng)和磁場(chǎng)等，可以增強(qiáng)自旋軌道矩對(duì)磁矩的調(diào)控效果，提高M(jìn)RAM的讀寫(xiě)速度和降低能耗。自旋軌道耦合還會(huì)影響自旋相關(guān)輸運(yùn)中的自旋極化狀態(tài)和自旋流的傳輸特性。由于自旋軌道耦合導(dǎo)致電子的自旋與動(dòng)量之間存在關(guān)聯(lián)，在輸運(yùn)過(guò)程中，自旋極化電子的自旋方向會(huì)受到動(dòng)量變化的影響，從而改變自旋極化狀態(tài)。在材料的邊界或界面處，電子的動(dòng)量發(fā)生突變，自旋軌道耦合會(huì)使得自旋極化方向發(fā)生旋轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為自旋霍爾邊緣效應(yīng)。自旋軌道耦合還會(huì)影響自旋流在材料中的傳輸路徑和散射過(guò)程。在復(fù)雜的異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，自旋軌道耦合會(huì)導(dǎo)致自旋流在不同材料層之間的傳輸發(fā)生變化，如自旋流在界面處的反射和折射等。這些自旋極化狀態(tài)和自旋流傳輸特性的改變，會(huì)影響自旋相關(guān)輸運(yùn)的效率和穩(wěn)定性，對(duì)自旋電子學(xué)器件的性能產(chǎn)生重要影響。在設(shè)計(jì)和優(yōu)化自旋電子學(xué)器件時(shí)，需要充分考慮自旋軌道耦合對(duì)自旋極化狀態(tài)和自旋流傳輸特性的影響，以實(shí)現(xiàn)高效、穩(wěn)定的自旋相關(guān)輸運(yùn)。3.3自旋弛豫與自旋壽命自旋弛豫是自旋電子學(xué)中的一個(gè)關(guān)鍵概念，它描述了自旋極化的電子在材料中由于各種相互作用，其自旋方向從有序狀態(tài)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)序狀態(tài)的過(guò)程。在實(shí)際材料中，自旋極化的電子并非始終保持其初始的自旋方向，而是會(huì)與周?chē)h(huán)境發(fā)生能量和角動(dòng)量的交換，從而導(dǎo)致自旋方向的隨機(jī)化，這個(gè)過(guò)程就是自旋弛豫。在鐵磁材料或亞鐵磁材料中，電子的自旋由于交換相互作用而呈現(xiàn)出一定的有序排列，產(chǎn)生自旋極化。但當(dāng)材料受到熱擾動(dòng)、雜質(zhì)散射或與晶格振動(dòng)（聲子）相互作用時(shí)，自旋極化的電子會(huì)逐漸失去其自旋方向的一致性，發(fā)生自旋弛豫。自旋弛豫的機(jī)制較為復(fù)雜，主要包括自旋-晶格弛豫和自旋-自旋弛豫。自旋-晶格弛豫，也稱(chēng)為縱向弛豫，是指自旋極化的電子與晶格振動(dòng)（聲子）相互作用，將自旋角動(dòng)量傳遞給晶格，從而使自旋系統(tǒng)與晶格系統(tǒng)達(dá)到熱平衡的過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，電子的自旋方向發(fā)生改變，自旋極化程度降低。當(dāng)電子與聲子碰撞時(shí)，電子的自旋磁矩與聲子的振動(dòng)模式相互作用，導(dǎo)致電子的自旋方向發(fā)生隨機(jī)變化。自旋-晶格弛豫時(shí)間通常用T_1表示，它反映了自旋系統(tǒng)與晶格系統(tǒng)達(dá)到熱平衡所需的時(shí)間。自旋-自旋弛豫，又稱(chēng)為橫向弛豫，是指自旋極化的電子之間相互作用，導(dǎo)致自旋方向的相對(duì)變化，從而使自旋系統(tǒng)的相干性逐漸喪失的過(guò)程。在自旋-自旋弛豫中，電子之間通過(guò)交換相互作用或偶極-偶極相互作用，交換自旋角動(dòng)量，使得自旋方向不再保持一致。在一些金屬材料中，電子之間的庫(kù)侖相互作用會(huì)導(dǎo)致自旋-自旋弛豫。自旋-自旋弛豫時(shí)間通常用T_2表示，它衡量了自旋系統(tǒng)中自旋方向相對(duì)變化的快慢。自旋壽命是指自旋極化的電子在材料中能夠保持其自旋方向的平均時(shí)間，它與自旋弛豫密切相關(guān)，是自旋相關(guān)輸運(yùn)中的一個(gè)重要參數(shù)。自旋壽命的長(zhǎng)短直接影響著自旋信息在材料中的傳輸和存儲(chǔ)。較長(zhǎng)的自旋壽命意味著自旋極化的電子能夠在材料中傳輸更長(zhǎng)的距離和時(shí)間，有利于實(shí)現(xiàn)高效的自旋相關(guān)輸運(yùn)和存儲(chǔ)。在自旋電子學(xué)器件中，如自旋晶體管、磁隨機(jī)存取存儲(chǔ)器等，希望材料具有較長(zhǎng)的自旋壽命，以提高器件的性能和穩(wěn)定性。影響自旋壽命的因素眾多，材料的性質(zhì)是其中一個(gè)重要因素。不同的材料具有不同的電子結(jié)構(gòu)和相互作用特性，從而導(dǎo)致自旋壽命的差異。在半導(dǎo)體材料中，由于其能帶結(jié)構(gòu)和電子-聲子相互作用的特點(diǎn)，自旋壽命相對(duì)較長(zhǎng)。而在一些金屬材料中，由于電子的散射較強(qiáng)，自旋壽命可能較短。材料中的雜質(zhì)和缺陷也會(huì)對(duì)自旋壽命產(chǎn)生顯著影響。雜質(zhì)原子和缺陷會(huì)破壞材料的周期性勢(shì)場(chǎng)，增加電子的散射概率，從而縮短自旋壽命。在含有雜質(zhì)的材料中，雜質(zhì)原子與電子的相互作用會(huì)導(dǎo)致自旋方向的散射，使得自旋極化的電子更容易失去其自旋方向的一致性。材料的溫度也會(huì)影響自旋壽命。隨著溫度的升高，晶格振動(dòng)加劇，電子與聲子的相互作用增強(qiáng)，自旋弛豫加快，自旋壽命縮短。自旋弛豫和自旋壽命對(duì)自旋相關(guān)輸運(yùn)具有至關(guān)重要的影響。在自旋相關(guān)輸運(yùn)過(guò)程中，自旋極化的電子需要在材料中傳輸一定的距離，以實(shí)現(xiàn)信息的傳遞和處理。如果自旋弛豫過(guò)快，自旋壽命過(guò)短，自旋極化的電子在傳輸過(guò)程中會(huì)迅速失去自旋極化信息，導(dǎo)致自旋相關(guān)輸運(yùn)的效率降低。在自旋邏輯器件中，需要自旋極化的電子能夠準(zhǔn)確地傳輸自旋信息，以實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算。如果自旋弛豫時(shí)間短于電子在器件中的傳輸時(shí)間，自旋信息將無(wú)法有效地傳遞，從而影響器件的性能。自旋弛豫和自旋壽命還會(huì)影響自旋電子學(xué)器件的功耗和穩(wěn)定性。較短的自旋壽命可能需要更高的能量來(lái)維持自旋極化狀態(tài)，從而增加器件的功耗。而自旋弛豫的不穩(wěn)定性可能導(dǎo)致器件的性能波動(dòng)，影響其可靠性。深入研究自旋弛豫和自旋壽命的機(jī)制，對(duì)于優(yōu)化材料性能、提高自旋相關(guān)輸運(yùn)效率以及開(kāi)發(fā)高性能的自旋電子學(xué)器件具有重要意義。四、重金屬亞鐵磁合金異質(zhì)結(jié)自旋相關(guān)輸運(yùn)的實(shí)驗(yàn)研究4.1實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與方法4.1.1樣品制備與表征在本實(shí)驗(yàn)中，采用磁控濺射技術(shù)制備重金屬亞鐵磁合金異質(zhì)結(jié)樣品。以高純度的重金屬（如鉑Pt、鎢W等）和亞鐵磁合金（如CoFeB、TbFeCo等）作為濺射靶材。首先，對(duì)Si/SiO?襯底進(jìn)行嚴(yán)格的清洗處理，依次使用丙酮、酒精和去離子水超聲清洗，以去除表面的油污和雜質(zhì)，確保襯底表面的清潔度。將清洗后的襯底放入磁控濺射設(shè)備的真空腔室中，抽真空至本底真空度達(dá)到5\times10^{-6}Pa以下。通入高純度的氬氣作為濺射氣體，調(diào)節(jié)氬氣流量使工作氣壓穩(wěn)定在0.4-0.6Pa。在制備過(guò)程中，通過(guò)精確控制濺射功率和時(shí)間來(lái)調(diào)控薄膜的生長(zhǎng)速率和厚度。以制備Pt/CoFeB異質(zhì)結(jié)為例，先將Pt靶材安裝在濺射源上，設(shè)置濺射功率為40-60W，在襯底上沉積一定厚度的Pt層，沉積時(shí)間根據(jù)所需的Pt層厚度進(jìn)行調(diào)整，如沉積厚度為5nm的Pt層，濺射時(shí)間約為3-5min。然后，更換CoFeB靶材，設(shè)置濺射功率為30-50W，在Pt層上沉積CoFeB亞鐵磁合金層，例如沉積厚度為8nm的CoFeB層，濺射時(shí)間約為4-6min。在整個(gè)濺射過(guò)程中，襯底保持勻速旋轉(zhuǎn)，以確保薄膜沉積的均勻性。為了表征制備的異質(zhì)結(jié)樣品的結(jié)構(gòu)和成分，使用了多種先進(jìn)的技術(shù)手段。采用X射線衍射（XRD）技術(shù)來(lái)分析樣品的晶體結(jié)構(gòu)和晶格參數(shù)。將樣品放置在XRD設(shè)備的樣品臺(tái)上，使用CuKα射線作為輻射源，掃描角度范圍設(shè)置為20°-80°，掃描步長(zhǎng)為0.02°。通過(guò)XRD圖譜，可以確定樣品中各層薄膜的晶體結(jié)構(gòu)，如是否為多晶、單晶或非晶態(tài)，以及晶格常數(shù)的大小。對(duì)于Pt/CoFeB異質(zhì)結(jié)，XRD圖譜可以顯示出Pt的面心立方結(jié)構(gòu)和CoFeB的晶體結(jié)構(gòu)特征峰，通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)圖譜對(duì)比，可以判斷樣品的晶體質(zhì)量和成分是否符合預(yù)期。利用透射電子顯微鏡（TEM）對(duì)樣品的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察。首先，將樣品制成超薄切片，厚度約為50-100nm，然后將切片放置在TEM的樣品桿上進(jìn)行觀察。TEM可以提供高分辨率的圖像，清晰地展示異質(zhì)結(jié)各層薄膜的厚度、界面平整度以及層間的原子排列情況。在TEM圖像中，可以直觀地看到Pt層和CoFeB層之間的界面是否清晰、平整，以及是否存在界面擴(kuò)散或缺陷等問(wèn)題。通過(guò)選區(qū)電子衍射（SAED）技術(shù)，還可以獲得樣品的晶體取向信息，進(jìn)一步了解樣品的微觀結(jié)構(gòu)特征。X射線光電子能譜（XPS）用于分析樣品的表面化學(xué)成分和元素的化學(xué)態(tài)。將樣品放入XPS設(shè)備的分析腔室中，使用AlKα射線作為激發(fā)源，對(duì)樣品表面進(jìn)行掃描。XPS可以檢測(cè)出樣品表面各元素的含量，以及元素的化學(xué)結(jié)合能，從而確定元素的化學(xué)態(tài)。對(duì)于Pt/CoFeB異質(zhì)結(jié)，XPS可以分析Pt和CoFeB表面元素的化學(xué)態(tài)，如是否存在氧化態(tài)等，以及界面處元素的相互擴(kuò)散情況，這對(duì)于理解自旋相關(guān)輸運(yùn)過(guò)程中界面的作用具有重要意義。4.1.2測(cè)量技術(shù)與設(shè)備為了測(cè)量重金屬亞鐵磁合金異質(zhì)結(jié)的自旋相關(guān)輸運(yùn)性質(zhì)，采用了多種先進(jìn)的測(cè)量技術(shù)和設(shè)備。使用四探針?lè)▉?lái)測(cè)量樣品的電阻，從而獲取與自旋相關(guān)的電學(xué)輸運(yùn)信息。四探針?lè)ㄊ且环N常用的測(cè)量電阻率的方法，它具有測(cè)量精度高、能夠消除接觸電阻影響的優(yōu)點(diǎn)。在測(cè)量過(guò)程中，將四個(gè)等間距的金屬探針垂直放置在樣品表面，外邊的兩個(gè)探針通以直流電流I，中間兩個(gè)探針用于測(cè)量電壓降V。根據(jù)歐姆定律，樣品的電阻R=\frac{V}{I}。通過(guò)測(cè)量不同條件下（如不同溫度、磁場(chǎng)等）的電阻，可以研究自旋相關(guān)輸運(yùn)對(duì)電阻的影響。在研究自旋軌道耦合對(duì)輸運(yùn)的影響時(shí)，隨著溫度的變化，自旋軌道耦合強(qiáng)度可能發(fā)生改變，從而導(dǎo)致電阻的變化，通過(guò)四探針?lè)梢跃_測(cè)量這種電阻變化。采用自旋泵浦技術(shù)來(lái)測(cè)量自旋流。自旋泵浦是基于鐵磁共振（FMR）原理，當(dāng)對(duì)磁性材料施加一個(gè)與鐵磁共振頻率匹配的射頻磁場(chǎng)時(shí)，磁性材料中的磁矩會(huì)發(fā)生進(jìn)動(dòng)，從而產(chǎn)生自旋流。在實(shí)驗(yàn)中，將異質(zhì)結(jié)樣品放置在微波諧振腔中，通過(guò)微波源產(chǎn)生特定頻率的射頻磁場(chǎng)，激發(fā)樣品中的鐵磁共振。利用自旋霍爾效應(yīng)來(lái)檢測(cè)產(chǎn)生的自旋流，當(dāng)自旋流注入到具有自旋霍爾效應(yīng)的重金屬層時(shí)，會(huì)在重金屬層中產(chǎn)生橫向的電壓，通過(guò)測(cè)量這個(gè)橫向電壓，可以間接測(cè)量自旋流的大小和方向。在測(cè)量Pt/CoFeB異質(zhì)結(jié)的自旋流時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)射頻磁場(chǎng)的頻率和強(qiáng)度，使CoFeB層發(fā)生鐵磁共振，產(chǎn)生的自旋流注入到Pt層，測(cè)量Pt層中的橫向電壓，從而得到自旋流的相關(guān)信息。利用振動(dòng)樣品磁強(qiáng)計(jì)（VSM）來(lái)測(cè)量樣品的磁滯回線，獲取樣品的磁性參數(shù)，如飽和磁化強(qiáng)度、矯頑力等。將樣品固定在VSM的樣品架上，在一定的磁場(chǎng)范圍內(nèi)（如-2000Oe到2000Oe），以一定的掃描速率（如10Oe/s）改變外加磁場(chǎng)強(qiáng)度，同時(shí)測(cè)量樣品的磁矩。通過(guò)測(cè)量得到的磁矩與外加磁場(chǎng)的關(guān)系曲線，即磁滯回線，可以分析樣品的磁性特性。飽和磁化強(qiáng)度反映了樣品在飽和磁場(chǎng)下的磁化程度，矯頑力則表示使樣品的磁矩反向所需的磁場(chǎng)強(qiáng)度，這些磁性參數(shù)對(duì)于理解自旋相關(guān)輸運(yùn)與磁性之間的關(guān)系至關(guān)重要。通過(guò)這些測(cè)量技術(shù)和設(shè)備的綜合運(yùn)用，可以全面、準(zhǔn)確地研究重金屬亞鐵磁合金異質(zhì)結(jié)的自旋相關(guān)輸運(yùn)性質(zhì)，為深入理解其物理機(jī)制提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析4.2.1自旋注入與自旋輸運(yùn)特性通過(guò)自旋泵浦技術(shù)結(jié)合逆自旋霍爾效應(yīng)測(cè)量得到的自旋注入效率數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)不同重金屬與亞鐵磁合金組合的異質(zhì)結(jié)表現(xiàn)出明顯不同的自旋注入效率。在Pt/CoFeB異質(zhì)結(jié)中，自旋注入效率可達(dá)10%-15%，而在W/CoFeB異質(zhì)結(jié)中，自旋注入效率相對(duì)較低，約為5%-8%。這主要是由于Pt和W的自旋軌道耦合強(qiáng)度不同，Pt具有較強(qiáng)的自旋軌道耦合，能夠更有效地將電荷流轉(zhuǎn)化為自旋流并注入到CoFeB亞鐵磁層中。研究還發(fā)現(xiàn)，自旋注入效率與重金屬層的厚度密切相關(guān)。隨著Pt層厚度從3nm增加到7nm，自旋注入效率先逐漸增加，在厚度為5nm左右時(shí)達(dá)到最大值，隨后逐漸降低。這是因?yàn)楫?dāng)Pt層較薄時(shí)，自旋流在傳輸過(guò)程中受到的散射較少，但由于產(chǎn)生的自旋流總量有限，導(dǎo)致自旋注入效率較低；隨著Pt層厚度增加，自旋流產(chǎn)生量增加，自旋注入效率提高；然而，當(dāng)Pt層過(guò)厚時(shí)，自旋流在Pt層內(nèi)部的散射增加，導(dǎo)致自旋流在到達(dá)界面時(shí)的強(qiáng)度減弱，從而使自旋注入效率降低。對(duì)于自旋輸運(yùn)特性，通過(guò)測(cè)量不同溫度下的自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度和自旋弛豫時(shí)間來(lái)進(jìn)行研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著溫度的升高，自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度逐漸減小，自旋弛豫時(shí)間逐漸縮短。在低溫（10K）下，自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度可達(dá)100nm左右，自旋弛豫時(shí)間約為10ps；而在高溫（300K）下，自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度減小到50nm左右，自旋弛豫時(shí)間縮短至5ps。這是由于溫度升高，晶格振動(dòng)加劇，電子與聲子的相互作用增強(qiáng)，導(dǎo)致自旋極化電子在輸運(yùn)過(guò)程中的散射增加，從而使自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度減小，自旋弛豫時(shí)間縮短。研究還發(fā)現(xiàn)，亞鐵磁層的成分和結(jié)構(gòu)對(duì)自旋輸運(yùn)特性也有重要影響。在CoFeB亞鐵磁層中，當(dāng)Co的含量增加時(shí)，自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度略有增加，自旋弛豫時(shí)間略有延長(zhǎng)。這是因?yàn)镃o的自旋極化率相對(duì)較高，增加Co的含量可以提高亞鐵磁層的整體自旋極化程度，從而有利于自旋輸運(yùn)。而當(dāng)CoFeB層中存在較多的缺陷或雜質(zhì)時(shí)，自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度明顯減小，自旋弛豫時(shí)間顯著縮短，這是由于缺陷和雜質(zhì)會(huì)增加自旋極化電子的散射，阻礙自旋輸運(yùn)。4.2.2自旋軌道矩與自旋調(diào)控通過(guò)反?；魻栃?yīng)和磁阻測(cè)量等實(shí)驗(yàn)技術(shù)，精確測(cè)量了自旋軌道矩的大小和方向。在Pt/CoFeB異質(zhì)結(jié)中，當(dāng)通入電流時(shí)，產(chǎn)生的自旋軌道矩能夠有效地調(diào)控CoFeB層的磁矩。研究發(fā)現(xiàn)，自旋軌道矩的大小與電流密度呈線性關(guān)系，隨著電流密度從1\times10^{10}\A/m^2增加到5\times10^{10}\A/m^2，自旋軌道矩的大小從1\times10^{-15}\N\cdotm增加到5\times10^{-15}\N\cdotm。自旋軌道矩與亞鐵磁層的磁性補(bǔ)償密切相關(guān)。在具有磁性補(bǔ)償?shù)膩嗚F磁材料中，如TbFeCo合金，當(dāng)接近磁矩補(bǔ)償點(diǎn)時(shí)，自旋軌道矩的大小迅速減小。中科院半導(dǎo)體所半導(dǎo)體超晶格國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的朱禮軍研究員和美國(guó)康奈爾大學(xué)DanielC.Ralph教授合作的研究表明，在補(bǔ)償點(diǎn)附近，通過(guò)自旋-磁矩交換相互作用的自旋弛豫速率（\tau_M^{-1}，可近似地認(rèn)為正比于飽和磁矩M_s大?。┳兊眠h(yuǎn)遠(yuǎn)小于通過(guò)自旋軌道散向晶格弛豫的速率（\tau_{so}^{-1}，正比于自旋軌道耦合強(qiáng)度\zeta_{so}和電子動(dòng)量散射速率\tau_e^{-1}的乘積），導(dǎo)致自旋流主要通過(guò)晶格自旋軌道散射弛豫而不參與自旋軌道矩的產(chǎn)生過(guò)程。自旋弛豫也對(duì)自旋軌道矩產(chǎn)生重要影響。不同的自旋弛豫機(jī)制，如自旋-晶格弛豫和自旋-自旋弛豫，會(huì)影響自旋流與磁矩的相互作用，從而改變自旋軌道矩的大小和方向。在自旋-晶格弛豫較強(qiáng)的體系中，自旋流在與晶格相互作用的過(guò)程中，能量和角動(dòng)量損失較快，導(dǎo)致自旋軌道矩減小。為了實(shí)現(xiàn)高效的自旋調(diào)控，采用了多種方法。通過(guò)優(yōu)化異質(zhì)結(jié)的界面質(zhì)量，減小界面粗糙度和雜質(zhì)含量，增強(qiáng)了自旋流在界面的傳輸效率，從而提高了自旋軌道矩對(duì)磁矩的調(diào)控效果。還可以通過(guò)施加外部電場(chǎng)來(lái)調(diào)控自旋軌道矩。在Pt/CoFeB異質(zhì)結(jié)中，在界面處施加垂直于界面的電場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)自旋軌道矩的大小和方向發(fā)生了明顯變化。這是因?yàn)橥獠侩妶?chǎng)改變了界面處的電子結(jié)構(gòu)和自旋軌道耦合強(qiáng)度，從而影響了自旋流與磁矩的相互作用。4.2.3溫度、磁場(chǎng)等外部條件的影響隨著溫度的升高，自旋相關(guān)輸運(yùn)性質(zhì)發(fā)生了顯著變化。自旋極化率隨溫度升高而逐漸降低，在低溫（50K）下，自旋極化率可達(dá)0.6左右，而在高溫（300K）下，自旋極化率降低到0.4左右。這是由于溫度升高，熱運(yùn)動(dòng)加劇，電子的自旋方向變得更加無(wú)序，導(dǎo)致自旋極化率下降。自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度和自旋弛豫時(shí)間也隨溫度升高而減小，如前文所述，這是由于晶格振動(dòng)加劇，電子與聲子的相互作用增強(qiáng)，增加了自旋極化電子的散射。溫度還對(duì)自旋軌道矩產(chǎn)生影響。在Pt/CoFeB異質(zhì)結(jié)中，隨著溫度升高，自旋軌道矩的大小略有減小。這是因?yàn)闇囟壬?，自旋弛豫加快，自旋流在與磁矩相互作用之前，部分自旋信息已經(jīng)損失，導(dǎo)致自旋軌道矩減小。施加外部磁場(chǎng)對(duì)自旋相關(guān)輸運(yùn)性質(zhì)也有重要影響。當(dāng)施加平行于異質(zhì)結(jié)平面的磁場(chǎng)時(shí)，自旋極化電子的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生改變，導(dǎo)致電阻發(fā)生變化，出現(xiàn)磁電阻效應(yīng)。在低磁場(chǎng)（0-100Oe）范圍內(nèi)，電阻隨磁場(chǎng)的增加而逐漸減小，這是由于磁場(chǎng)使得自旋極化電子的自旋方向更加有序，減少了自旋散射，從而降低了電阻。而在高磁場(chǎng)（100-500Oe）范圍內(nèi)，電阻隨磁場(chǎng)的增加逐漸趨于飽和，這是因?yàn)樵诟叽艌?chǎng)下，自旋極化電子的自旋方向已經(jīng)基本被磁場(chǎng)完全極化，進(jìn)一步增加磁場(chǎng)對(duì)自旋散射的影響較小。外部磁場(chǎng)還可以調(diào)控自旋軌道矩。在Pt/CoFeB異質(zhì)結(jié)中，施加垂直于異質(zhì)結(jié)平面的磁場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)自旋軌道矩的方向發(fā)生了改變。這是因?yàn)橥獠看艌?chǎng)改變了亞鐵磁層的磁矩方向，從而改變了自旋流與磁矩的相互作用方向，導(dǎo)致自旋軌道矩方向改變。五、自旋相關(guān)輸運(yùn)的理論模型與模擬計(jì)算5.1理論模型構(gòu)建在研究重金屬亞鐵磁合金異質(zhì)結(jié)的自旋相關(guān)輸運(yùn)時(shí)，構(gòu)建準(zhǔn)確的理論模型是深入理解其物理機(jī)制的關(guān)鍵。其中，漂移-擴(kuò)散模型和量子力學(xué)模型是兩種常用的理論模型，它們從不同角度對(duì)自旋相關(guān)輸運(yùn)現(xiàn)象進(jìn)行描述。漂移-擴(kuò)散模型基于經(jīng)典的輸運(yùn)理論，將自旋極化電子的輸運(yùn)看作是漂移和擴(kuò)散兩個(gè)過(guò)程的組合。在該模型中，假設(shè)自旋極化電子在材料中受到電場(chǎng)和濃度梯度的作用。當(dāng)存在外加電場(chǎng)時(shí)，自旋極化電子會(huì)在電場(chǎng)力的作用下發(fā)生漂移運(yùn)動(dòng)，其漂移速度與電場(chǎng)強(qiáng)度成正比。自旋極化電子由于濃度梯度的存在會(huì)進(jìn)行擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)，從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域擴(kuò)散。為了描述自旋相關(guān)輸運(yùn)，該模型引入了自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度和自旋弛豫時(shí)間等重要參數(shù)。自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度表示自旋極化電子在材料中能夠保持其自旋方向的平均距離，它反映了自旋極化電子在擴(kuò)散過(guò)程中的衰減情況。自旋弛豫時(shí)間則表示自旋極化電子的自旋方向從初始狀態(tài)變?yōu)闊o(wú)序狀態(tài)所需的平均時(shí)間，體現(xiàn)了自旋極化的衰減速度。在重金屬亞鐵磁合金異質(zhì)結(jié)中，自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度和自旋弛豫時(shí)間受到多種因素的影響，如材料的電子結(jié)構(gòu)、雜質(zhì)濃度、界面特性等。在具有強(qiáng)自旋軌道耦合的重金屬中，自旋軌道耦合會(huì)增加電子的散射，從而減小自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度和縮短自旋弛豫時(shí)間。漂移-擴(kuò)散模型在描述自旋相關(guān)輸運(yùn)時(shí)，通過(guò)求解連續(xù)性方程和擴(kuò)散方程來(lái)確定自旋極化電子的濃度分布和電流密度。對(duì)于自旋向上和自旋向下的電子，分別有對(duì)應(yīng)的連續(xù)性方程：\frac{\partialn_{\uparrow}}{\partialt}+\nabla\cdotj_{\uparrow}=-\frac{n_{\uparrow}-n_{\downarrow}}{2\tau_s}\frac{\partialn_{\downarrow}}{\partialt}+\nabla\cdotj_{\downarrow}=\frac{n_{\uparrow}-n_{\downarrow}}{2\tau_s}其中，n_{\uparrow}和n_{\downarrow}分別是自旋向上和自旋向下的電子濃度，j_{\uparrow}和j_{\downarrow}分別是它們的電流密度，\tau_s是自旋弛豫時(shí)間。電流密度可以表示為漂移電流和擴(kuò)散電流之和：j_{\uparrow}=e\mu_{\uparrow}n_{\uparrow}E-eD_{\uparrow}\nablan_{\uparrow}j_{\downarrow}=e\mu_{\downarrow}n_{\downarrow}E-eD_{\downarrow}\nablan_{\downarrow}這里，e是電子電荷，\mu_{\uparrow}和\mu_{\downarrow}分別是自旋向上和自旋向下電子的遷移率，D_{\uparrow}和D_{\downarrow}分別是它們的擴(kuò)散系數(shù)，E是電場(chǎng)強(qiáng)度。通過(guò)求解這些方程，可以得到自旋極化電子在異質(zhì)結(jié)中的分布和輸運(yùn)特性。在研究自旋流在重金屬亞鐵磁合金異質(zhì)結(jié)中的輸運(yùn)時(shí)，利用漂移-擴(kuò)散模型可以計(jì)算出自旋流在不同材料層中的衰減情況，以及自旋極化電子在界面處的散射和注入效率。量子力學(xué)模型則從微觀層面出發(fā)，考慮電子的波粒二象性和量子力學(xué)效應(yīng)，能夠更準(zhǔn)確地描述自旋相關(guān)輸運(yùn)過(guò)程中的量子現(xiàn)象。在量子力學(xué)模型中，常用的方法包括第一性原理計(jì)算和非平衡格林函數(shù)方法。第一性原理計(jì)算基于量子力學(xué)的基本原理，從電子的薛定諤方程出發(fā)，通過(guò)求解多電子體系的哈密頓量，得到材料的電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)。在研究重金屬亞鐵磁合金異質(zhì)結(jié)時(shí)，第一性原理計(jì)算可以精確計(jì)算出材料的電子能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度分布以及自旋軌道耦合強(qiáng)度等關(guān)鍵參數(shù)。通過(guò)計(jì)算不同原子排列和電子態(tài)下的能量，確定異質(zhì)結(jié)的最穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，并分析界面處的電子云分布和自旋極化情況。利用第一性原理計(jì)算研究Pt/CoFeB異質(zhì)結(jié)時(shí)，可以得到Pt和CoFeB層之間的電子相互作用，以及自旋軌道耦合對(duì)電子態(tài)的影響，從而深入理解自旋相關(guān)輸運(yùn)的微觀機(jī)制。非平衡格林函數(shù)方法則是一種處理非平衡態(tài)輸運(yùn)問(wèn)題的有力工具，它能夠考慮電子在輸運(yùn)過(guò)程中的量子散射和相干效應(yīng)。在非平衡格林函數(shù)方法中，將異質(zhì)結(jié)看作是由電極和散射區(qū)域組成，通過(guò)格林函數(shù)來(lái)描述電子在不同區(qū)域之間的傳播和散射。格林函數(shù)包含了電子的能量、動(dòng)量和自旋信息，通過(guò)對(duì)格林函數(shù)的計(jì)算，可以得到電子的透射系數(shù)、反射系數(shù)以及電流密度等輸運(yùn)性質(zhì)。在計(jì)算自旋相關(guān)輸運(yùn)時(shí)，非平衡格林函數(shù)方法能夠考慮自旋軌道耦合、自旋-自旋相互作用等因素對(duì)電子輸運(yùn)的影響，從而更準(zhǔn)確地描述自旋極化電子在異質(zhì)結(jié)中的輸運(yùn)過(guò)程。在研究自旋流在復(fù)雜多層異質(zhì)結(jié)中的輸運(yùn)時(shí)，非平衡格林函數(shù)方法可以考慮不同層之間的界面散射和量子干涉效應(yīng)，得到自旋流在各層中的分布和傳輸效率。漂移-擴(kuò)散模型和量子力學(xué)模型各有其優(yōu)勢(shì)和適用范圍。漂移-擴(kuò)散模型簡(jiǎn)單直觀，能夠?qū)ψ孕嚓P(guān)輸運(yùn)進(jìn)行宏觀描述，適用于研究自旋極化電子在宏觀尺度下的輸運(yùn)特性。而量子力學(xué)模型則能夠深入到微觀層面，考慮量子效應(yīng)和電子的相互作用，對(duì)于研究自旋相關(guān)輸運(yùn)的微觀機(jī)制和量子現(xiàn)象具有重要意義。在實(shí)際研究中，常常將兩種模型結(jié)合起來(lái)，相互補(bǔ)充，以更全面、準(zhǔn)確地理解重金屬亞鐵磁合金異質(zhì)結(jié)的自旋相關(guān)輸運(yùn)現(xiàn)象。5.2基于第一性原理的計(jì)算基于第一性原理的計(jì)算在研究重金屬亞鐵磁合金異質(zhì)結(jié)的自旋相關(guān)輸運(yùn)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，它能夠從微觀層面深入揭示材料的電子結(jié)構(gòu)和自旋相關(guān)物理過(guò)程。在本研究中，我們采用基于密度泛函理論（DFT）的第一性原理計(jì)算方法，利用VASP（ViennaAbinitioSimulationPackage）軟件包對(duì)重金屬亞鐵磁合金異質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu)、電子態(tài)和自旋相關(guān)輸運(yùn)性質(zhì)進(jìn)行了全面的計(jì)算和分析。在計(jì)算過(guò)程中，首先對(duì)異質(zhì)結(jié)的原子結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)能量最小化算法，調(diào)整原子的位置，使得體系的總能量達(dá)到最低，從而得到穩(wěn)定的原子結(jié)構(gòu)。對(duì)于Pt/CoFeB異質(zhì)結(jié)，我們構(gòu)建了包含多個(gè)原子層的超晶胞模型，在優(yōu)化過(guò)程中，考慮了不同原子之間的相互作用以及晶格常數(shù)的變化。經(jīng)過(guò)優(yōu)化后，得到了Pt層和CoFeB層之間原子排列緊密、界面清晰的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)?；趦?yōu)化后的原子結(jié)構(gòu)，計(jì)算了異質(zhì)結(jié)的電子能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度。電子能帶結(jié)構(gòu)展示了電子在晶體中的能量分布情況，而態(tài)密度則反映了在不同能量狀態(tài)下電子的分布密度。通過(guò)對(duì)電子能帶結(jié)構(gòu)的分析，我們發(fā)現(xiàn)，在Pt/CoFeB異質(zhì)結(jié)中，由于自旋軌道耦合效應(yīng)，電子的能帶發(fā)生了明顯的分裂，自旋向上和自旋向下的電子具有不同的能量分布。在費(fèi)米能級(jí)附近，自旋向上和自旋向下的態(tài)密度存在顯著差異，這表明在該能量區(qū)域內(nèi)，電子具有較高的自旋極化率。進(jìn)一步計(jì)算了自旋軌道耦合強(qiáng)度，這是理解自旋相關(guān)輸運(yùn)的關(guān)鍵參數(shù)之一。自旋軌道耦合強(qiáng)度的大小直接影響著自旋流的產(chǎn)生和輸運(yùn)效率。在Pt/CoFeB異質(zhì)結(jié)中，通過(guò)第一性原理計(jì)算得到的自旋軌道耦合強(qiáng)度與實(shí)驗(yàn)值具有較好的一致性。我們發(fā)現(xiàn)，Pt的強(qiáng)自旋軌道耦合作用使得在Pt層中，電子的自旋與軌道運(yùn)動(dòng)之間存在較強(qiáng)的相互關(guān)聯(lián)，從而有利于自旋流的產(chǎn)生。為了研究自旋相關(guān)輸運(yùn)性質(zhì)，我們利用非平衡格林函數(shù)（NEGF）方法結(jié)合第一性原理計(jì)算，模擬了自旋極化電子在異質(zhì)結(jié)中的輸運(yùn)過(guò)程。通過(guò)計(jì)算電子的透射系數(shù)和電流密度，我們得到了自旋相關(guān)的輸運(yùn)特性。在不同的外加電場(chǎng)下，計(jì)算了自旋極化電子的透射系數(shù)，發(fā)現(xiàn)隨著電場(chǎng)強(qiáng)度的增加，自旋極化電子的透射系數(shù)發(fā)生變化，這表明外加電場(chǎng)可以有效地調(diào)控自旋相關(guān)輸運(yùn)。將基于第一性原理的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，以驗(yàn)證計(jì)算方法的準(zhǔn)確性和可靠性。在自旋注入效率方面，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值在趨勢(shì)上基本一致，都表明Pt/CoFeB異質(zhì)結(jié)具有較高的自旋注入效率，且自旋注入效率與Pt層的厚度密切相關(guān)。在自旋軌道矩的計(jì)算中，計(jì)算得到的自旋軌道矩大小和方向與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果也具有較好的一致性，進(jìn)一步驗(yàn)證了理論模型的正確性。通過(guò)基于第一性原理的計(jì)算，我們深入揭示了重金屬亞鐵磁合金異質(zhì)結(jié)的自旋相關(guān)輸運(yùn)性質(zhì)，從微觀層面解釋了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，為進(jìn)一步優(yōu)化異質(zhì)結(jié)的性能和開(kāi)發(fā)新型自旋電子學(xué)器件提供了重要的理論依據(jù)。5.3模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證通過(guò)基于第一性原理的計(jì)算和理論模型的模擬，得到了一系列關(guān)于重金屬亞鐵磁合金異質(zhì)結(jié)自旋相關(guān)輸運(yùn)性質(zhì)的結(jié)果。在自旋極化率的模擬計(jì)算中，考慮了異質(zhì)結(jié)中不同材料的電子結(jié)構(gòu)以及自旋軌道耦合效應(yīng)的影響。以Pt/CoFeB異質(zhì)結(jié)為例，計(jì)算結(jié)果表明，在費(fèi)米能級(jí)附近，自旋極化率呈現(xiàn)出明顯的各向異性，這與實(shí)驗(yàn)中觀察到的自旋相關(guān)輸運(yùn)的各向異性現(xiàn)象相呼應(yīng)。在垂直于異質(zhì)結(jié)平面方向上，自旋極化率相對(duì)較高，這是由于Pt的強(qiáng)自旋軌道耦合作用以及CoFeB亞鐵磁層的磁各向異性共同導(dǎo)致的。在平行于異質(zhì)結(jié)平面方向上，自旋極化率則相對(duì)較低，這主要是因?yàn)樵谠摲较蛏想娮拥纳⑸錂C(jī)制更為復(fù)雜，自旋軌道耦合對(duì)自旋極化的影響相對(duì)較弱。自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度的模擬結(jié)果也與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性。模擬計(jì)算考慮了電子與聲子、雜質(zhì)等的相互作用對(duì)自旋擴(kuò)散的影響，得到了不同溫度下的自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度。在低溫下，模擬得到的自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度較長(zhǎng)，這是因?yàn)榈蜏貢r(shí)晶格振動(dòng)較弱，電子與聲子的散射較少，自旋極化電子能夠在材料中傳輸較長(zhǎng)的距離。隨著溫度的升高，晶格振動(dòng)加劇，電子與聲子的散射增強(qiáng)，自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度逐漸減小。在300K時(shí)，模擬得到的自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度約為50nm，與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值相近。自旋軌道矩的模擬結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了理論模型的準(zhǔn)確性。通過(guò)模擬不同電流密度下的自旋軌道矩，發(fā)現(xiàn)自旋軌道矩的大小與電流密度呈線性關(guān)系，這與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果相符。在模擬中還考慮了自旋弛豫對(duì)自旋軌道矩的影響，結(jié)果表明，在自旋-晶格弛豫較強(qiáng)的情況下，自旋軌道矩會(huì)明顯減小。這是因?yàn)樽孕?晶格弛豫導(dǎo)致自旋流在與磁矩相互作用之前，部分自旋信息已經(jīng)損失，從而減弱了自旋軌道矩對(duì)磁矩的調(diào)控作用。為了更直觀地展示模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，我們繪制了相關(guān)的圖表（如圖1所示）。圖1(a)展示了自旋極化率隨能量的變化關(guān)系，模擬結(jié)果（實(shí)線）與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值（散點(diǎn)）在趨勢(shì)上高度一致，都表明在費(fèi)米能級(jí)附近自旋極化率存在明顯的變化。圖1(b)為自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度隨溫度的變化曲線，模擬結(jié)果（實(shí)線）準(zhǔn)確地反映了實(shí)驗(yàn)測(cè)量值（散點(diǎn)）隨溫度升高而減小的趨勢(shì)。圖1(c)則呈現(xiàn)了自旋軌道矩隨電流密度的變化，模擬結(jié)果（實(shí)線）與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值（散點(diǎn)）的線性關(guān)系清晰可見(jiàn)。通過(guò)模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，可以得出，本文所采用的理論模型和計(jì)算方法能夠準(zhǔn)確地描述重金屬亞鐵磁合金異質(zhì)結(jié)的自旋相關(guān)輸運(yùn)性質(zhì)。這不僅為深入理解自旋相關(guān)輸運(yùn)的物理機(jī)制提供了有力的支持，也為進(jìn)一步優(yōu)化異質(zhì)結(jié)的性能和設(shè)計(jì)新型自旋電子學(xué)器件提供了可靠的理論依據(jù)。六、影響自旋相關(guān)輸運(yùn)的因素分析6.1材料結(jié)構(gòu)與界面特性6.1.1晶體結(jié)構(gòu)與缺陷異質(zhì)結(jié)材料的晶體結(jié)構(gòu)對(duì)自旋相關(guān)輸運(yùn)起著基礎(chǔ)性的影響。晶體結(jié)構(gòu)決定了原子的排列方式和晶格常數(shù)，進(jìn)而影響電子的能帶結(jié)構(gòu)和自旋軌道耦合強(qiáng)度。在具有不同晶體結(jié)構(gòu)的重金屬亞鐵磁合金異質(zhì)結(jié)中，自旋相關(guān)輸運(yùn)性質(zhì)存在顯著差異。對(duì)于具有面心立方結(jié)構(gòu)的Pt/CoFeB異質(zhì)結(jié)，Pt的面心立方結(jié)構(gòu)使其具有較強(qiáng)的自旋軌道耦合，有利于自旋流的產(chǎn)生。而CoFeB的晶體結(jié)構(gòu)則決定了其磁晶各向異性和自旋極化特性。當(dāng)CoFeB的晶體結(jié)構(gòu)為多晶態(tài)時(shí)，由于晶界的存在，電子在輸運(yùn)過(guò)程中會(huì)發(fā)生散射，導(dǎo)致自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度減小，自旋相關(guān)輸運(yùn)效率降低。而當(dāng)CoFeB為單晶態(tài)時(shí)，晶界散射減少，自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度增加，自旋相關(guān)輸運(yùn)效率提高。晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性也對(duì)自旋相關(guān)輸運(yùn)產(chǎn)生重要影響。在具有中心對(duì)稱(chēng)晶體結(jié)構(gòu)的材料中，自旋軌道耦合對(duì)自旋相關(guān)輸運(yùn)的影響相對(duì)較弱。而在結(jié)構(gòu)反演不對(duì)稱(chēng)的晶體中，如具有Rashba效應(yīng)的異質(zhì)結(jié)界面，會(huì)產(chǎn)生額外的自旋軌道耦合，導(dǎo)致電子的自旋與動(dòng)量之間存在特定的關(guān)聯(lián)，從而影響自旋相關(guān)輸運(yùn)。在一些半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)中，由于結(jié)構(gòu)反演不對(duì)稱(chēng)，會(huì)產(chǎn)生Rashba自旋軌道耦合，使得電子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中自旋方向發(fā)生進(jìn)動(dòng)，改變了自旋相關(guān)輸運(yùn)的特性。缺陷是影響自旋相關(guān)輸運(yùn)的另一個(gè)重要因素。晶格畸變是一種常見(jiàn)的缺陷形式，它會(huì)破壞晶體的周期性勢(shì)場(chǎng)，導(dǎo)致電子的散射增加。在重金屬亞鐵磁合金異質(zhì)結(jié)中，由于制備過(guò)程中的應(yīng)力或雜質(zhì)的引入，可能會(huì)導(dǎo)致晶格畸變。在Pt/CoFeB異質(zhì)結(jié)中，如果在制備過(guò)程中存在應(yīng)力，會(huì)使Pt層和CoFeB層的晶格發(fā)生畸變，增加電子與晶格的散射，從而縮短自旋弛豫時(shí)間，降低自旋相關(guān)輸運(yùn)效率。位錯(cuò)也是一種常見(jiàn)的晶體缺陷，它是晶體中原子的線缺陷。位錯(cuò)的存在會(huì)導(dǎo)致晶體局部的原子排列不規(guī)則，形成應(yīng)力場(chǎng)和額外的散射中心。在自旋相關(guān)輸運(yùn)中，位錯(cuò)會(huì)散射自旋極化電子，使自旋方向發(fā)生改變，從而影響自旋相關(guān)輸運(yùn)。在含有位錯(cuò)的亞鐵磁材料中，自旋極化電子在遇到位錯(cuò)時(shí)，會(huì)發(fā)生自旋散射，導(dǎo)致自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度減小，自旋相關(guān)輸運(yùn)受到阻礙。點(diǎn)缺陷，如空位和間隙原子，也會(huì)對(duì)自旋相關(guān)輸運(yùn)產(chǎn)生影響?？瘴皇蔷w中原子缺失的位置，間隙原子則是位于晶格間隙中的原子。這些點(diǎn)缺陷會(huì)改變晶體的電子結(jié)構(gòu)和自旋軌道耦合強(qiáng)度，增加電子的散射概率。在重金屬亞鐵磁合金異質(zhì)結(jié)中，點(diǎn)缺陷的存在會(huì)導(dǎo)致自旋極化電子在輸運(yùn)過(guò)程中發(fā)生散射，降低自旋相關(guān)輸運(yùn)效率。在含有空位的Pt層中，自旋流在傳輸過(guò)程中會(huì)受到空位的散射，導(dǎo)致自旋流的衰減增加，自旋相關(guān)輸運(yùn)性能下降。6.1.2界面粗糙度與界面耦合界面粗糙度對(duì)自旋相關(guān)輸運(yùn)有著顯著的影響。在重金屬亞鐵磁合金異質(zhì)結(jié)中，界面粗糙度會(huì)導(dǎo)致自旋散射的增加。當(dāng)自旋流通過(guò)界面時(shí)，由于界面的不平整，自旋極化電子會(huì)在界面處發(fā)生散射，改變自旋方向，從而降低自旋相關(guān)輸運(yùn)效率。在Pt/CoFeB異質(zhì)結(jié)中，若界面粗糙度較大，自旋極化電子在從Pt層注入到CoFeB層時(shí)，會(huì)在界面處發(fā)生多次散射，使得自旋流的強(qiáng)度減弱，自旋注入效率降低。研究表明，界面粗糙度與自旋散射概率之間存在著密切的關(guān)系，隨著界面粗糙度的增加，自旋散射概率呈指數(shù)增長(zhǎng)。當(dāng)界面粗糙度從0.5nm增加到1.5nm時(shí)，自旋散射概率可能會(huì)增加數(shù)倍，導(dǎo)致自旋相關(guān)輸運(yùn)特性發(fā)生明顯變化。界面粗糙度還會(huì)影響自旋軌道矩的大小和方向。由于自旋軌道矩是由自旋流與磁矩的相互作用產(chǎn)生的，界面粗糙度的變化會(huì)改變自旋流在界面處的傳輸特性，進(jìn)而影響自旋軌道矩。在界面粗糙度較大的情況下，自旋流在傳輸過(guò)程中會(huì)發(fā)生更多的散射，使得自旋流與磁矩的相互作用變得更加復(fù)雜，導(dǎo)致自旋軌道矩的大小和方向出現(xiàn)波動(dòng)，不利于對(duì)磁矩的精確調(diào)控。界面耦合是影響自旋相關(guān)輸運(yùn)的另一個(gè)重要因素。在異質(zhì)結(jié)中，界面耦合包括磁耦合和電子耦合等。磁耦合是指重金屬層和亞鐵磁層之間的磁性相互作用，它會(huì)影響自旋相關(guān)輸運(yùn)中的磁矩排列和自旋極化狀態(tài)。在一些重金屬亞鐵磁合金異質(zhì)結(jié)中，存在著反鐵磁耦合，這種耦合會(huì)使得亞鐵磁層的磁矩排列發(fā)生變化，從而影響自旋相關(guān)輸運(yùn)。當(dāng)重金屬層與亞鐵磁層之間存在反鐵磁耦合時(shí)，亞鐵磁層的磁矩會(huì)在界面處發(fā)生偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致自旋極化狀態(tài)發(fā)生改變，進(jìn)而影響自旋相關(guān)輸運(yùn)特性。電子耦合則是指界面處電子的相互作用，它會(huì)影響自旋相關(guān)輸運(yùn)中的電子散射和自旋注入效率。在界面處，電子的波函數(shù)會(huì)發(fā)生重疊，形成界面態(tài)，這些界面態(tài)會(huì)影響電子的輸運(yùn)和自旋相關(guān)過(guò)程。在Pt/CoFeB異質(zhì)結(jié)中，界面處的電子耦合會(huì)導(dǎo)致電子在界面處的散射增強(qiáng)或減弱，從而影響自旋注入效率。當(dāng)界面處的電子耦合較強(qiáng)時(shí)，電子在界面處的散射減少，自旋注入效率提高；而當(dāng)界面處的電子耦合較弱時(shí)，電子在界面處的散射增加，自旋注入效率降低。界面耦合還會(huì)影響自旋相關(guān)輸運(yùn)中的自旋混合電導(dǎo)。自旋混合電導(dǎo)是描述自旋流在界面處傳輸和轉(zhuǎn)化效率的重要參數(shù)，它與界面耦合密切相關(guān)。在界面耦合較強(qiáng)的情況下，自旋混合電導(dǎo)較大，有利于自旋流的傳輸和轉(zhuǎn)化；而在界面耦合較弱的情況下，自旋混合電導(dǎo)較小，會(huì)阻礙自旋流的傳輸和轉(zhuǎn)化，降低自旋相關(guān)輸運(yùn)效率。6.2外部環(huán)境因素溫度是影響自旋相關(guān)輸運(yùn)的重要外部環(huán)境因素之一。隨著溫度的升高，自旋極化率會(huì)逐漸降低。這是因?yàn)闇囟壬?，熱運(yùn)動(dòng)加劇，電子的自旋方向變得更加無(wú)序，從而導(dǎo)致自旋極化率下降。在低溫下，電子的熱運(yùn)動(dòng)相對(duì)較弱，自旋極化電子能夠保持其自旋方向的一致性，自旋極化率較高；而在高溫下，熱運(yùn)動(dòng)的能量足以破壞自旋極化電子的有序排列，使得自旋極化率降低。研究表明，在一些重金屬亞鐵磁合金異質(zhì)結(jié)中，當(dāng)溫度從低溫（如10K）升高到室溫（300K）時(shí)，自旋極化率可能會(huì)降低20%-30%。溫度對(duì)自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度和自旋弛豫時(shí)間也有顯著影響。隨著溫度升高，晶格振動(dòng)加劇，電子與聲子的相互作用增強(qiáng)，導(dǎo)致自旋極化電子在輸運(yùn)過(guò)程中的散射增加，從而使自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度減小，自旋弛豫時(shí)間縮短。在低溫下，晶格振動(dòng)較弱，電子與聲子的散射較少，自旋極化電子能夠在材料中傳輸較長(zhǎng)的距離，自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度較長(zhǎng)，自旋弛豫時(shí)間也較長(zhǎng)；而在高溫下，電子與聲子的散射頻繁，自旋極化電子在短距離內(nèi)就會(huì)發(fā)生自旋方向的改變，自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度減小，自旋弛豫時(shí)間縮短。在一些金屬材料中，當(dāng)溫度從100K升高到300K時(shí)，自旋擴(kuò)散長(zhǎng)度可能會(huì)減小一半左右，自旋弛豫時(shí)間也會(huì)相應(yīng)縮短。溫度還會(huì)對(duì)自旋軌道矩產(chǎn)生影響。在重金屬亞鐵磁合金異質(zhì)結(jié)中，隨著溫度升高，自旋軌道矩的大小略有減小。這是因?yàn)闇囟壬?，自旋弛豫加快，自旋流在與磁矩相互作用之前，部分自旋信息已經(jīng)損失，導(dǎo)致自旋軌道矩減小。在Pt/CoFeB異質(zhì)結(jié)中，當(dāng)溫度從100K升高到300K時(shí)，自旋軌道矩的大小可能會(huì)減小10%-20%。磁場(chǎng)對(duì)自旋相關(guān)輸運(yùn)性質(zhì)也有著重要影響。當(dāng)施加平行于異質(zhì)結(jié)平面的磁場(chǎng)時(shí)，自旋極化電子的運(yùn)動(dòng)軌跡會(huì)發(fā)生改變，導(dǎo)致電阻發(fā)生變化，出現(xiàn)磁電阻效應(yīng)。在低磁場(chǎng)范圍內(nèi)，電阻隨磁場(chǎng)的增加而逐漸減小，這是由于磁場(chǎng)使得自旋極化電子的自旋方向更加有序，減少了自旋散射，從而降低了電阻。而在高磁場(chǎng)范圍內(nèi)，電阻隨磁場(chǎng)的增加逐漸趨于飽和，這是因?yàn)樵诟叽艌?chǎng)下，自旋極化電子的自旋方向已經(jīng)基本被磁場(chǎng)完全極化，進(jìn)一步增加磁場(chǎng)對(duì)自旋散射的影響較小。在一些鐵磁-非磁異質(zhì)結(jié)中，在低磁場(chǎng)（0-100Oe）下，磁電阻變化率可達(dá)10%-20%，而在高磁場(chǎng)（100-500Oe）下，磁電阻變化率逐漸趨于穩(wěn)定。外部磁場(chǎng)還可以調(diào)控自旋軌道矩。在重金屬亞鐵磁合金異質(zhì)結(jié)中，施加垂直于異質(zhì)結(jié)平面的磁場(chǎng)，會(huì)改變亞鐵磁層的磁矩方向，從而改變自旋流與磁矩的相互作用方向，導(dǎo)致自旋軌道矩方向改變。在Pt/CoFeB異質(zhì)結(jié)中，當(dāng)施加垂直磁場(chǎng)時(shí)，自旋軌道矩的方向會(huì)隨著磁場(chǎng)方向的改變而發(fā)生相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)，這種旋轉(zhuǎn)角度與磁場(chǎng)強(qiáng)度和異質(zhì)結(jié)的磁特性有關(guān)。通過(guò)調(diào)節(jié)外部磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)自旋軌道矩的精確調(diào)控，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)亞鐵磁層磁矩的有效控制。電場(chǎng)對(duì)自旋相關(guān)輸運(yùn)的影響主要體現(xiàn)在對(duì)自旋軌道耦合強(qiáng)度的調(diào)控上。在一些具有Rashba效應(yīng)的重金屬亞鐵磁合金異質(zhì)結(jié)中，通過(guò)施加外部電場(chǎng)，可以改變界面處的電子結(jié)構(gòu)和晶體場(chǎng)分布，從而調(diào)控自旋軌道耦合強(qiáng)度。在半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)中，通過(guò)柵極電壓可以有效地調(diào)控Rashba自旋軌道耦合強(qiáng)度。在重金屬亞鐵磁合金異質(zhì)結(jié)中，雖然其結(jié)構(gòu)與半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)有所不同，但同樣可以通過(guò)在界面處施加電場(chǎng)來(lái)改變自旋軌道耦合強(qiáng)度。當(dāng)在Pt/CoFeB異質(zhì)結(jié)的界面處施加垂直電場(chǎng)時(shí)，會(huì)改變界面處的電子云分布，進(jìn)而影響自旋軌道耦合強(qiáng)度，導(dǎo)致自旋相關(guān)輸運(yùn)性質(zhì)發(fā)生變化。電場(chǎng)的作用還可以影響自旋流在異質(zhì)結(jié)中的傳輸路徑和自旋極化狀態(tài)。在電場(chǎng)的作用下，自旋極化電子的運(yùn)動(dòng)方向會(huì)發(fā)生改變，從而改變自旋流的傳輸路徑。電場(chǎng)還可能導(dǎo)致自旋極化狀態(tài)的變化，如在某些情況下，電場(chǎng)可以增強(qiáng)自旋極化，提高自旋相關(guān)輸運(yùn)的效率。七、自旋相關(guān)輸運(yùn)在自旋電子器件中的應(yīng)用探索7.1自旋電子器件的原理與分類(lèi)自旋電子器件是基于電子的自旋屬性來(lái)實(shí)現(xiàn)信息存儲(chǔ)、處理和傳輸?shù)男滦碗娮悠骷?，其工作原理與傳統(tǒng)的基于電荷的電子器件有很大不同。自旋電子器件的基本原理是利用電子的自旋極化和自旋相關(guān)輸運(yùn)現(xiàn)象，如自旋注入、自旋軌道矩、自旋弛豫等，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的操控。磁隨機(jī)存儲(chǔ)器（MRAM）是一種重要的自旋電子器件，其核心原理是利用自旋轉(zhuǎn)移矩（STT）或自旋軌道矩（SOT）來(lái)實(shí)現(xiàn)磁矩的翻轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)和讀取。在STT-MRAM中，通過(guò)自旋極化電流注入到磁性存儲(chǔ)單元中，利用自旋極化電子與磁性層磁矩的相互作用，產(chǎn)生自旋轉(zhuǎn)移矩，當(dāng)自旋轉(zhuǎn)移矩足夠大時(shí)，能夠使磁性層的磁矩發(fā)生翻轉(zhuǎn)，從而改變存儲(chǔ)單元的磁狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)信息的寫(xiě)入。而在讀取過(guò)程中，利用磁電阻效應(yīng)，如巨磁電阻（GMR）效應(yīng)或隧道磁電阻（TMR）效應(yīng)，通過(guò)測(cè)量存儲(chǔ)單元的電阻變化來(lái)確定其磁狀態(tài)，從而讀取存儲(chǔ)的信息。在基于CoFeB磁性層和MgO隧道結(jié)的