自旋阀中的极化输运与相关自旋新材料及结构研究

电子既是电荷的载体又是自旋的载体。电子作为电荷的载体,使二十世纪成为了微电子学的天下。而随着1988年巨磁电阻(GMR)效应发现以来,通过操纵电子的另一量子属性——自旋,使新一代的电子器件又多了一维控制手段。电子自旋的研究涵盖了金属磁性多层膜、磁性氧化物、磁性半导体等众多体系,探寻这些体系中自旋输运的基本原理是研究的重点。目前,基于传统自旋阀中极化输运及自旋电子学的发展,对新材料和新结构的研究尚不成熟,还有众多科学问题亟待解决,诸如:如何在室温下获得更大的巨磁电阻变化率、提高器件的稳定性及灵敏度、自旋阀中交换偏置场产生的物理根源、实现自旋同半导体完美结合的材料、结构及方法等。因此,基于国内外自旋电子学研究的重点,首先围绕最基本的自旋阀纳米多层膜结构,开展了自旋阀多层膜制备、设计、结构优化、自旋阀交换偏置核心结构物理机制探索等研究;其次,提出了三种异质结新结构,并以大自旋极化率Fe3O4磁性半金属为核心材料,开展了自旋阀、新异质结研究;最后,在理论与材料研究的基础上,对自旋器件进行了设计与实验研究,获得了一些有益的结果:(1)理论方面,基于自旋电子器件进一步发展对新结构、新材料发展的需求,提出了磁性半导体/半导体、磁性半导体/磁性半导体、自旋滤波材料/自旋滤波材料的新自旋异质结模型。理论分析发现,利用磁性半导体/半导体异质结,在负偏压的作用下可实现自旋电子的极化输运,而利用磁性半导体/磁性半导体、自旋滤波材料/自旋滤波材料异质结可实现趋于100%的磁电阻变化率。另外通过计算,对可实现的磁阻效应及对材料的要求进行了详细研究,为新材料的应用奠定了一定的理论基础。(2)虽然基于自旋阀核心结构的自旋电子器件研究已开展了多年,但如何进一步提高自旋电子器件的磁电阻效应、灵敏度、工作范围、工作稳定性和解决这些问题的物理机制,仍是自旋电子学中的一个热点。因而,首先基于Mott二流体模型发现自旋阀巨磁电阻受磁性材料、非磁性材料、自旋极化率、自旋扩散长度、厚度、尺寸、电阻率等影响明显,因而可通过改善制备工艺条件及各层的材料、厚度改善自旋阀的性能,探寻提高巨磁电阻变化率、灵敏度等的有效途径。其次,以理论分析为指导,实验上首先制备Ta/NiFe/Cu/NiFe/FeMn传统自旋阀多层膜,研究了自由层、隔离层、钉扎层、反铁磁层厚度对巨磁电阻效应的影响,找到了最佳的制备工艺;其次,研究了缓冲层材料对自旋阀灵敏度、巨磁电阻效应的影响。发现由于缓冲层元素表面自由能的影响导致了自旋阀灵敏度的改变,指出选择适当表面自由能的缓冲层,可有效改善自由层薄膜的性能,为提高器件的灵敏度提供了有效的途径;最后,基于室温磁场下制备自旋阀交换偏置场较小、工作范围较窄的问题,通过对传统结构的改进,提出了新型双交换偏置场自旋阀模型,为增大器件工作稳定性、人为调制器件工作范围,提供了有效手段。(3)交换偏置在自旋电子器件中具有核心地位,但到目前为止,其产生的物理根源、影响其大小的因素仍是未解决的难题。因而,基于自旋阀的核心结构——铁磁/反铁磁交换偏置效应,研究了NiFe/FeMn双层膜钉扎层、被钉扎层厚度、材料微结构、底钉扎、顶钉扎结构等对交换偏置的影响,分析了交换偏置产生的物理根源;研究了制备磁场大小对钉扎场大小的影响,发现了利用大磁场可实现提高交换偏置的新方法,并利用52kA/m(650Oe)的大磁场在1~2nm的NiFe钉扎层中实现了接近48kA/m(600Oe)的交换偏置场。(4)基于自旋阀测试,研究了初始测试磁场平行与反平行于交换偏置场方向,测试电流的大小对交换偏置场的影响。并用大脉冲电流,在初始测试磁场反平行于交换偏置场方向的样品中,首次实现电流矩在电流沿膜面流动自旋阀结构中对钉扎场的翻转,为铁磁/反铁磁双层膜体系产生交换偏置的机理提供了新的研究途径,并对自旋阀的应用提出了新的挑战。(5)为探寻高自旋极化率的新材料,开展了半金属磁性材料Fe3O4薄膜制备工艺的研究。通过改变溅射功率、退火温度、缓冲层、磁场沉积等,在200W溅射功率、300℃的退火温度、24kA/m(300Oe)沉积磁场的最佳条件下获得了高晶粒织构、成分单一的Fe3O4薄膜,并通过对氧气氛的调节,实现了无缓冲层高性能Fe3O4薄膜的制备。(6)利用所制备的Fe3O4薄膜,进行了基于Fe3O4自旋阀的制备,发现Fe3O4薄膜同其它金属材料间电阻率的失配,是造成巨磁电阻效应低的原因;另外,基于理论提出的磁性材料/半导体异质结,制备了Fe3O4/n-Si纳米结,初步实现了磁性材料到半导体的自旋注入与输运。     

基于液晶光阀非线性的光折变联合变换相关器

提出一种基于液晶光阀非线性和光折变晶体实时动态存储特性的联合变换相关顺。该相关顺能实现输入物的微分、对比度反转等丰富图像的联合变换相关。计算机模拟分析了不同输入场景情况下图像的正像、微分像和对比度反转像联合变换相关的特点。     

核阀零件激光熔覆Co基涂层的组织研究

应用5kW横流CO2激光器对核阀阀瓣密封面进行Co基合金的激光熔覆处理,用金相显微镜、扫描电镜、能谱分析仪等分析手段对涂层的组织、晶粒度、显微硬度和稀释率进行了分析.结果表明:激光熔覆层的显微组织、晶粒度、熔层稀释率、热影响区宽度、显微硬度等均显著优于等离子喷焊和堆焊工艺.     

压电驱动电源快速放电回路的研究

为提高压电陶瓷驱动的高压精密微流量阀的频响及微流量输出控制精度,针对压电陶瓷驱动电源不能在断电后将压电陶瓷中的极化电荷迅速释放的缺点,该文在研究压电陶瓷驱动电源的过程中,设计并实现了一种新型快速放电回路,在驱动信号切断后,可快速对压电陶瓷进行放电,使其恢复初始状态,且其放电时间达到毫秒级.在完成快速放电同路特性仿真的基础上,利用所设计的压电陶瓷驱动电源及快速放电同路,对8 mm×8 mm×20 mm、电容为2.3 μF的压电陶瓷进行了驱动与快速放电试验测试,结果表明,该电源的快速放电特性,可有效提高压电驱动微流量阀流量的控制精度及流量阀的频率响应特性.     

Control of an overlap-type proportional directional control valve using input shaping filter

In a hydraulic control system (herein, termed a major control loop), a proportional directional control (PDC) valve with spool position feedback may work in a minor (or inner) control loop. In this study the authors propose control designs to improve the performance of the PDC valve control loop (a minor control loop). At first, the mathematical model for the PDC valve is developed through an experimental identification process. Then, a dead-zone compensator that facilitates jumping of the overlap zone in spool/sleeve combination is devised and applied. A reference input following controller (including PI-D and feed-forward controller) that enables robust control of the PDC valve under disturbances is devised using the pole placement method and the zero placement method. Subsequently, an input shaping filter is incorporated into the devised control system to improve the reference following characteristic in high frequency range. Finally, the effectiveness of the proposed control design is verified experimentally.     

旁通阀液力反馈抽油泵研究及应用

在稠油井以及偏磨井,由于抽油杆工作条件恶劣,在上冲程时抽油杆的拉应力增加; 而下冲程时阻力大,抽油杆柱的中和点之下处于受压状态,存在交变载荷,造成泵效低、杆管偏磨严重。通过分析井下抽油设备受力状态,对常规抽油泵结构进行了创新和改进,研制了一种旁通阀液力反馈抽油泵。该泵型采用液力反馈技术,为杆柱下行提供动力,克服稠油井、偏磨井井中杆柱下行摩阻,避免下行杆柱弯曲,同时提高泵的充满度,延长有杆泵系统的正常生产周期。泵阀采用弹簧复位球阀,柱塞两端设计防砂结构,适用于斜井、稠油井,并提高了泵效。     

选择测试阀在现场测试中的应用

选择测试阀是新一代全通径压控式测试器，在结构和性能上有了本质的创新，使现场操作更加简便、安全，对井筒条件要求低，更适用于高温、高压、深井、气井的地层测试，拓宽了地层测试和其它井下作业的兼容性。经7井次应用，其安全性、可靠性越来越得到认可。     

试油井选层压裂新工艺及现场试验

设计新型可洗井封隔器，保障油井有反洗井通道，有效防止封隔器以上砂埋所引发的管柱砂卡事故，并对新型封隔器、控制开关、密封接头、同心大通径压力计托筒等井下工具组合优化。解决了多层油井任意选层压裂、求产、测井温一体化的难题。     

钢管水压试验机充水阀密封失效的解决措施

分析了钢管水压试验机充水阀的结构形式与密封失效的关系,提出拆除充水阀阀芯和控制油缸,使充水阀成为一简单三通,并在低压水入口端加装一只旋启式止回阀,在止回阀与充水阀之间用法兰连接成承压管道,可很好地解决充水阀密封失效问题.     

双缸式气动-手动楔式闸阀在柴油罐上的应用

文章简单介绍了气动阀的结构、工作原理及特点,并时堆修保养注意事项以及可能发生的故障和排除故障的方法做了详细讲解。最后,将气动阀在柴油罐上的应用情况与普通闸阀相比较,分析其使用性能和优点,进一步推广气动闽在锦西石化分公司的应用。