CN104380399B - 一种包括位于中间的保护层的自旋注入器 - Google Patents

一种包括位于中间的保护层的自旋注入器 Download PDF

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Abstract

一种用于制造自旋注入器件(30)的方法，包括以下步骤：a)在衬底(10)的面(11)上形成金属保护层(22)以限制或者阻止所述面被环境氧化和/或污染，所述衬底的所述面为磁性的和导电的，所述保护层具有反磁性或顺磁性的性质；b)在所述保护层上形成上层(32)，所述上层(32)能够根据由所述衬底和/或所述衬底的所述面的磁性限定的幅度和自旋参考框架来促进所述保护层与所述上层之间的界面的费米能级附近的电子态的自旋偏离，所述上层为有机层，所述有机层的与所述保护层接触的一个或更多个分子位置具有由单一的磁性参考框架所表征的顺磁矩。

Description

一种包括位于中间的保护层的自旋注入器
技术领域
本发明涉及电子技术领域，更加确切地涉及自旋电子技术领域。本发明特别地涉及一种制造自旋注入器件的方法，该自旋注入器件能够根据电子自旋取向的不同对流经该自旋注入器件的电子进行过滤。
背景技术
半导体产业中的技术进步允许显著减小电子器件的尺寸，因此增大电子器件的功率和复杂度。现今，在原子尺度下制造这些器件要克服新的问题，特别是与该尺度下出现的物理现象有关的问题。为了进一步提高半导体的性能，因此有必要在崭新的概念的基础上来研制器件。
这些概念中的一个概念是利用电子自旋的量子特性以存储信息。这就是自旋电子学的技术领域。
使用多个本征值，特别是电子的角动量或者自旋来对电子进行表征。由于原子尺度下的测不准原理，仅根据一个可观测量或方向对电子自旋进行测量是可能的，并且电子自旋的值能够是正的或者负的。这些状态分别被称为“自旋向上”和“自旋向下”。
为了在产业水平上利用这一特性，则需要研制出能够对电子自旋的偏离态(biasstate)进行选择和/或读取的器件。能够根据电子自旋的取向对电子进行选择或过滤的器件被称为自旋注入器件。
目前已经研制出多个自旋注入器件。这些自旋注入器中的一些利用隧道效应来过滤电子。当被称为遂道势垒的势垒被夹在两个导电元件之间时观察到该效应。从物理上讲，遂道势垒是一种几乎不促进电子扩散的介质。该介质因此能够是绝缘的或者半导电的。
诸如通过隧道效应在两个导体之间移动的粒子的自旋取向之类的量子特性在该运输中得到保留。则有可能使用该特性以在两个铁磁性导电元件之间运输信息。能够对信息进行编码的电子的偏离态则可通过置于遂道势垒另一侧上的铁磁性导体进行检测，以上各部分形成了磁性隧道结。通过将器件置于两个铁磁性层磁化的平行或反向平行对准态，可以对流经器件的电流的自旋偏离程度进行测量。因为电流从一个电极流向另一个电极，所以电流自旋偏离的函数以及该偏离的检测(或“读取”)作为电流符号的函数被分配到磁性隧道结的两个界面中的每一个处。通过简单地改变流经器件的电流的符号则能够将偏离的分配以及电流自旋的检测进行调换(Fert,Nobel Lectures 2008Angew.Chem.Int.Ed.2008，47，5956–5967)(费尔，诺贝尔演讲2008，Angewandte化学国际版，2008年，47期，第5956-5967页)。
磁性隧道结的自旋偏离能力通过选择出具有适合于邻近铁磁性电极的电子结构的遂道势垒而被增大十倍。在此情况下，导电电子的在铁磁性层内高度自旋偏离的一些波函数更加容易通过势垒，这导致很高的自旋偏离电流(Bowen PHYSICAL REVIEW B 73,140408R(2006))(鲍文，物理学评论B，2006年，73期，140408R)。该效应例如通过将氧化镁层夹在两个铁合金层中间可被观察到(Appl.Phys.Lett.90,212507(2007))(应用物理快报，2007年，90期，第212507页)。
另一种研制途径依赖于将一个有机层用作隧道势垒(Physical ReviewLetter98,016601(2007))(物理学评论快报，2007年，98期，第016601页)。由于有机材料相较于无机材料具有较低的原子质量或数量，所以有机材料的优点在于与导电电子的偏离态之间的相互作用很弱。因此，当电子流经该类型的材料时受到非常小的干扰。这些材料因此似乎非常有希望用于未来诸如偏离自旋注入器件之类的应用中(Nature 427821(2004))(自然，2004年，427821)。
最近的研究已经表明，在所述界面处的耦合现象对于允许偏离自旋在磁性介质与有机层之间的传输是必要的(Nature Material 6,516(2007),Physical Review Letter105,077201(2010))(自然材料，2007年，6期，第516页；物理学评论快报，2010年，105期，第077201页)。但是，当界面包括杂质和/或被氧化时传输特性可以很快被降低。更加确切地，当界面被氧化时，自旋的序等级(order grade)能够被降低甚至被消除，因为基于过渡金属的铁磁性电极能够与存在于空气中的氧形成接触而氧化物具有杂乱的反铁磁特性。在无机自旋电子学领域中，这能够导致器件的自旋电子性能的降低甚至消失(Physical ReviewB79,224405(2009))(物理评论B，2009年，79期，第224405页)。这是限制这种器件在工业水平中的使用的原因之一。
当前，为了防止此氧化现象，一种解决方案是在诸如真空氛围之类的受控或非氧化氛围环境中在磁性衬底上沉积有机层。在此应当注意到，甚至包含有例如百万分之一的氧和/或水的手套箱环境都可能破坏铁磁性层的自旋电子特性。
此外，仅仅有限的分子子集能够在真空中升华，而大量的分子能够通过例如浸渍涂布或者自旋涂布仅被限制为湿润形式(wet form)。
另一个缺点在于以下事实：所沉积的有机层的成分不应当包含有可能与磁性层相互作用而降低磁性层的自旋电子特性的元素。在这些元素中可能包括氧。在某些形式下，这能够通过形成具有反铁磁特性的无序过渡金属的氧化物而破坏自旋电子特性。这些被排除的元素被用在大量的有机化合物的成分中。为此，电流产生技术仅被限制在某些成分中。
尤其是，这就是为什么包括有磁性层上的有机层的自旋注入器件很难组装的原因，因为生产环境的要求，并且由此将分子类型限制在真空可升华的分子类别内。
本申请的目之一是使得能够制造包括有机层的自旋注入器件，其满足以下各项：
在要求较低的环境中制造；
和/或具有有机层，该有机层不因为潜在的氧化风险而不包括像氧一样普遍的化学元素；；
和/或不会使面向有机层的磁性面氧化或者污染；
提高了自旋过滤比率。
发明内容
本发明的目的是解决前述问题中的至少一个。
为此，提供了一种用于制造自旋注入器件的方法，该方法根据以下步骤：
a)在衬底的面或者第一面上形成保护层以限制或者阻止所述面被环境氧化和/或污染，所述面可以是磁性的并且导电的，保护层可以是反磁性的或者顺磁性的；优选地，保护层是顺磁性的并且包括很强的磁化率；
b)在保护层上形成上层，从而促进偏离电子在所述层与衬底的面之间的迁移。
本发明进一步提供了一种用于制造自旋注入器件的方法，该方法包括以下步骤：
a)在衬底的面上形成金属保护层以限制或者阻止所述面被环境氧化和/或污染，所述衬底的所述面为磁性的并且导电的，所述保护层具有反磁性或顺磁性的性质；
b)在所述保护层上形成一个上层，所述上层能够根据由所述衬底和/或所述衬底的所述面的磁性限定的幅度和自旋参考框架来促进所述保护层与所述上层之间的界面的费米能级附近的电子态的自旋偏离，所述上层为有机层，所述有机层的与所述保护层接触的一个或更多分子位置具有由单一的磁性参考框架所表征的顺磁矩，所述单一的磁性参考框架在空间和时间上是固定的并且基于所述衬底和/或所述衬底的所述面的磁性参考框架。
保护层是在与所述保护层接触的氛围中组分和结构不会或者很少受到空气和水的影响的层。保护层可以是金属的，并且例如由一种或更多种的贵金属，或者例如由铜、银、金等元素中的一种或更多种制成。衬底的磁化因此能够借助于磁性间接交换耦合机制引起由保护层/上层界面的原子产生的磁化。因此，在保护层/上层界面处的这些原子的费米能级附近存在电子的自旋偏离，该自旋偏离是要流经该界面的电流的自旋偏离。
与允许将磁化从衬底投射到非磁性层即本申请中的保护层的机制相关的间接交换耦合的物理机制正常工作而基本上不考虑该保护层是金属或绝缘甚至是半导电的保护层。然而，尽管该效应在金属层的情况下主要是振荡的，但是该效应在绝缘或者半导电层的情况下具有非常短暂(指数消减)的本质特征。通过金属保护层获得的交换耦合因此相对于通过绝缘或半导电层具有好的多的幅度(大约为109倍)和强度，尤其是在考虑到层具有大于一个单层(对于铜单层而言是大约0.8nm)的厚度。
与保护层接触的上层的分子位置所表现出的顺磁矩可以被视为由衬底磁化所感生的长程磁序，甚至是与铁磁化有关的磁序。长程磁序可以由比将存在于分子座中的原子周围的第一、或第二、或第三邻近原子分离开的距离更大的距离来限定。
保护层沿着与衬底的第一面大体垂直或者垂直的方向上的厚度可以介于构成所述保护层的的原子的厚度的1至130倍之间，但是因为当该厚度增大时交换场减小(Nanomagnetism：Ultrathin Films，Multilayers and Nanostructures Vol 1Chap.3p.61(2006))(纳米磁学：超薄膜、多层及纳米结构，2006年，第1卷，第3章，第61页)，则优选地保护层的厚度保持为很小。该厚度可以介于构成保护层的原子层的厚度的1至7倍之间。一个原子层在厚度方向上包括单一的原子。
上层可以使有机层或者包括例如一个或更多以下元素的层：碳、氮、氧、氟、硼、铁、钴、锰、铜、钒、锌、镁、硅等等。.上层还可以包括以下元素之一：硫、氢、铝、钾、氯、钠。
保护层可以具有绝缘或半导电性质。
当衬底与上层接触时，优选地可以在衬底与上层之间建立一个大约1000T的直接交换磁场，从而使上层处的至少一个最初非磁性位置(例如，碳位置)偏离。穿过保护层的交换磁场可能不超过大约2T的数值。则至少在保护层上吸附上层之后，上层优选地可以至少包括一个具有至少一个非零顺磁矩的元素。优选地，顺磁性分子位置的磁矩可以借由衬底与上层之间的间接交换磁场达到至少50％的饱和。为了对保护层与上层之间的该交换场进行放大，保护层的厚度能够根据保护层的电子结构进行精细控制(参见下文以及具体实施方式)。
上层可以是有机层，该有机层的与保护层接触的一个或更多个分子位置表现出顺磁矩。通过发生在上层与衬底之间经过保护层的间接交换耦合则可以感生出磁序。该磁序是形成上层与保护层之间的分子的全部原子所共有的。如果有电流流经自旋注入器件，并且凭借该交换耦合而使(所述分子位置形成的)分子面与衬底的磁性面对准，那么这能够引起流经该分子面的电流的显著的自旋偏离。
由于上述的共同磁序，有机层的每个与保护层接触的原子的顺磁矩可以凭借衬底与上层之间的间接交换耦合沿着衬底的磁性材料的磁性参考框架对准。因此，当衬底包括铁磁性材料时，感生到所述分子位置的磁矩(通过感应的铁磁化)获得铁磁特性。因此能够得到来自于保护层/上层界面的自旋偏离电流。
制造自旋注入器件的方法进一步可以包括制作用于对衬底和/或衬底的面的磁化进行控制的装置。通过作用于衬底的磁性参考框架(强度)，这样的装置使得能够控制磁性参考框架(强度)以及因此控制分子曾(上层)的自旋参考框架(偏离)。例如，这能可以通过能够给衬底施加磁场、电场、电磁场，衬底的机械膨胀和/或收缩，甚至是磁性衬底的温度变化的装置来实现。
衬底的第一面可以是铁磁性和/或亚铁磁性和/或反铁磁性的，并且非排外地有以下元素之一制成：钴、和/或镍、和/或铁、和/或与4d和/或5d类型金属的铁合金或钴合金、和/或一种或更多种诸如Fe3O4或TiO(2-x)之类的磁性氧化物。所述第一面可以结晶或者具有例如Co fcc(001)、Fe cc(001)等晶体结构，以允许保护层的生长具有第一面相兼容的晶体结构。
当衬底和保护层结晶时，凭借在保护层内形成量子阱态可以仔细选择保护层的厚度，从而更好地将自旋偏离态的密度从衬底的第一面投射到保护层的于将要进行自旋偏离的上层接触的向对面上。
该晶体化条件是非限定性的。倘若衬底的第一面是铁磁性的，则衬底和/或衬底的第一面以及保护层可以是无定形的。
优选地，在保护层的面与上层的面之间建立化学键以更好地将间接交换场，和/或来自保护层中的态量子数的自旋偏离态密度印刷在上层的第一原子面的原子位置上。
有利地，保护层是金属的，该保护层允许制造低电阻率器件以用于例如纳米技术用途。
有利地，保护层使得衬底的第一面能够对构成上层的与所述保护层接触的第一原子层的原子的此特性进行修改和控制。该影响有可能被延伸到上层的更深原子层中。
有利地，衬底可以包括钴，保护层可以包括铜，并且上层可以包括MnPc。在这样的配置中呢，上层的分子的原子座(不只是Mn，还有Pc的C和N)具有使用由上层的材料与衬底的材料之间经由Cu保护层的间接交换感生的共同磁序所表征的顺磁矩，并且该顺磁矩具体在室温下并且具有零外磁场。这些原子座的该当前铁磁化导致了费米能级处的非零的平均自旋偏离。
方法进一步可以包括制造用于对衬底和/或衬底的面的磁化进行控制的装置。这样的控制装置通过对衬底和/或衬底的面的磁化进行控制使得能够控制保护层与上层之间的界面的磁化。
根据一个变型，自旋注入器件的衬底能够被连接到中间器件。中间器件可以如之前所述由保护层与衬底接触或者在衬底上来制成。两个器件可以通过中间器件的保护层互连。
本发明还涉及一种包括实现根据本发明所述的用于制造自旋注入器件的方法在内的用户制造器件的方法，并且其中，自旋注入器件可以被连接到一包括有设置在第二衬底上的第二保护层的中间器件，中间器件的第二保护层可以被设置为紧靠自旋注入器件的衬底或者上层。该配置提供的优点是，能够对流过自旋注入器件的电流的自旋偏离进行控制，还能够使上层的自旋参考框架预先终止在吉赫兹范围内的频率下。
根据另一变型，诸如前述的自旋注入器件的上层可以连接或者附接到前述中间器件的保护层处。
之前器件的外部相对层可以被连接到电流发生器件。
电流发生装置可能能够针对高于－50℃的工作温度输出用于流经至少自旋注入器件的保护层而被偏离至少10％的偏离电流。电流发生器件因此能够被导通以使得电流至少流经自旋注入器件的保护层。对于高于-50℃和/或－20℃，和/或0℃，和/或50℃，和/或150℃和/或250℃，和/或500℃的装置工作温度，从装置中输出的电流可以沿着相同方向被偏离至少5％或至少10％或至少20％。
本申请还涉及自旋注入器件，包括：
衬底，包括一个面或第一磁性面并且导电；
在衬底的面上的保护层，以限制或者阻止所述面被环境氧化和/或污染，保护层可以具有低磁性或反磁性或顺磁性的性质；
在保护层上的上层，促进偏离电子在所述层与衬底的第一面之间的迁移。
衬底可以通过所述中间器件的中间层或者衬底被连接或者联结到诸如之前所述的中间器件。
前述器件的外部并且相对的层可以被连接到电流发生器件。
附图说明
通过参照以下附图，本发明的进一步的细节和特征在以下说明中更加明显。不同附图中的相同、相似或者等效部分使用相同的附图标记以方便附图之间的转换。为使附图更具有可读性，附图中出现的各个部分不一定要以一致的比例画出。图中给出的参考框架是正交的。
图1表示了制作自旋注入器件的步骤。
图2表示了自旋注入器件。
图3表示了自旋注入器的第一替代方式。
图4表示了自旋注入器件的第二替代方式。
具体实施方式
本申请的目的之一在于使得一用于在被连接到电流源时将偏离自旋注入材料的器件易于制造。此类型的器件又被称为自旋注入器件。
当一种制造方法适应工业要求时就是方便的，该工业要求就是容易和/或快速和/或可被经济地实现同时可被大规模再生产。
自旋注入器件30包括被称为衬底10的、导电并且具有磁特性的第一材料。衬底10的第一面11与外部环境接触并且具有铁磁性和/或亚铁磁性和/或反铁磁性类型的磁特性(图1)。
衬底的第一面11能够例如包括或者基于氧化物和/或氮化物和/或碳化物，或者基于钴和/或铁，和/或镍。用语“基于”将构成所述第一面11和/或衬底10的元素的体积比限定为等于或大于5％或10％或50％或90％。
衬底10的第一面能够被结构化并且优选地被结晶，以促进第一面的表面处的自旋偏离态在－1eV<E-EF<+1eV能量范围内，并且很可能电耦合至下文所述的保护层22的态。
当衬底的第一面包括钴时，衬底能够具有面心立方(fcc)类型的晶体结构，晶面的取向由密勒指数(001)进行限定。
衬底10以及保护层22由根据最新工业技术(溅射、电子束沉积、热升华等等)的真空沉积来制作。主体框架的基本真空质量(小于1.10-8mbar(毫巴))以及衬底10沉积结束与保护层22沉积开始之间所经历的短暂时间可以提高由此形成的界面24的化学质量。优选地，第一面11是平面表面。
制造方法可以包括使用被称为保护层22的中间层来至少部分地对第一面11进行覆盖的第二步骤。因此得到中间器件20。
保护层22能够是无定形的或者结晶的并且保护层22沿与第一面11垂直或大体垂直的方向上的厚度可大于或者等于1个单层并且小于8个单层构成所述层的原子，或者在1个单层与3个单层之间，优选地大约为2个单层。单层优选地与第一面11平行或大体平行。
保护层22能够由诸如Au和/或Cu和/或Ag或任何与空气和水具有低的反应性的贵金属中的一个或者其组合所构成。优选地，保护层22是顺磁性的并且能够包括强磁化率。
与保护层22的与衬底10的第一面11接触的面24相对的面26能够被第三材料所覆盖，从而形成上层32(图2)。随后得到自旋注入器件30。
优选地，上层32具有有机性质，例如与用于形成自旋注入器的有机层具有相同的性质(Phys.Rev.Lett.105,077201(2010))(物理学评论快报，2010年，105期，第077201页)。
优选地，在保护层22的面26与上层32的面34之间建立化学键以更好地将间接交换场和/或来自保护层中的态量子数(state quantises)的自旋偏离态密度印刷在上层的第一原子面的原子位置处。
由于面11上存在保护层22，本发明的优点之一是有机层的成分能够更多变。有机层能够包括在生成真空的过程中分解的分子。有机层甚至包括有可能降低与保护层直接接触的面11的自旋电子性能的元素。例如，上层32能够由以下各项中的一项或者其组合所形成：三(8-羟基喹啉)铝(III)(Alq3)、卟啉、酞菁(Pc)、5,6,11,12-四苯基并四苯(红荧烯)、二萘嵌苯-3,4,9,10-苝四甲酸二酐(PCTDA)、四氰基乙烯(TCNE)、四硫富瓦烯(TTF)、四氰基对苯醌二甲烷(TCNQ)、Fe-菲咯啉[Angew.Chem.Int.Ed.2004,43,3644][Angewandte化学国际版，2004年，43期，第3644页]，碳纳米管，石墨稀。
上层32沿与衬底10的第一面11垂直或者近似垂直的方向上的厚度能够大于1个分子面并且小于1000nm，或者厚度在1个分子面与3个分子面之间，优选地大约为2个分子面。
有利地，上层的形成并不由特别要求所限制，更具体地为对面11的表面态进行保护。因而，上层32能够使用以下技术之一来形成：作为“干法”技术的一个示例的热升华，以及注入滴落流延、旋转涂布、Langmuir-Blodgett之类的任意的“湿法”技术(A.Ulman，AnIntroduction to Ultrathin Organic Films From Langmuir-Blodgett to Self-Assembly，Academic Press，Inc.:San Diego(1991))(A.Ulman，从Langmuir-Blodgett到自组装的超薄有机膜简介，学术出版社公司，圣地亚哥(1991))。这些技术中的大多数已经被用于产业规模，因此这些技术很容易实施并且很低廉。
前述的制造方法的几个替代方式将在此进行说明。
根据第一替代方式，自旋注入器件30能够被置于中间器件20上(图3)。中间器件20的保护层22有可能能够与自旋注入器件的衬底10接触。
保护层22能够由允许扩散运输的不导电层代替。在此情况下，能够使用诸如Co之类的衬底与诸如Si或GaAs之类的保护层。不导电的保护层22还可以使得偏离的自旋能够在器件40的两个衬底10之间隧道效应运输。在此情况下，例如能够使用诸如Co或Ni80Fe20之类的衬底10以及诸如Al2O3(Fert，Nobel Lectures 2008 Angew.Chem.Int.Ed.2008，47，5956–5967)或者甚至SiO2(PHYSICAL REVIEW B73，172402(2006))(物理学评论B，2006年，73期，第172402页)之类的保护层22。优选地，自旋注入器件30的衬底10相比于中间器件20的衬底10则具有更小的矫顽性，以使得凭借转自旋力矩转移效应有可能获得两个衬底10的平行或反向平行的磁化态，自旋力矩转移效应反映了在具有最小的矫顽场的层的磁化上的偏离电流的自旋动量的动作(将具有最强的矫顽场的层作为参考框架)(Fert，NobelLectures 2008 Angew.Chem.Int.Ed.2008，47，5956–5967f)。
因此，中间器件20能够对自旋注入器件30的行为进行影响或者控制，并且特别地通过在经过器件40的偏离电流的传导方向上对上层32的磁化进行控制来对上层32的磁化参考框架进行影响或者控制。
图3中所显示的配置的优点在于能够在吉赫兹的频率范围内以静态或动态方式对流经自旋注入器件的电流的自旋偏离进行控制。在第二情况下，这反映出较弱矫顽衬底的磁化参考框架上的自旋角动量的动作，则在该频率范围中该动作变为进动。(Fert，NobelLectures 2008 Angew.Chem.Int.Ed.2008，47，5956–5967)。
根据第二替代方式，中间器件20能够与自旋注入器件30组装以形成一个隧道效应器件50，其中在两个导电的磁性衬底10之间包括一个有机层32(图4)。当上层22是有机物时，上层22上的金属层的沉积能够在低温下完成以提高上层22的结构质量和化学质量。
以上方法能够包括将器件30、40和50的外围层与电流发生器件进行电连接的步骤。发生器能够被导通以允许自旋偏离电流流经保护层22和上层32。通过使得足够的电流能够流经器件40和50，可以对铁磁性层的相对磁化方向进行修改。优选地，流经这些层的电子中超过5％或10％或50％或70％或者高于70％具有相同的自旋类型。针对高于-50℃，或0℃，或50℃，或150℃或250℃或500℃的器件工作温度维持该偏离比率。
上述方法通过在衬底10与上层32之间夹入一个保护层22(图2、3和4)而尤其区别于现有技术。保护层22具有以下功能中的至少一个：
保护衬底10的第一面11免遭任何氧化和/或污染现象；
和/或，对衬底10和/或第一面11的磁特性造成尽可能小的干扰；
和/或，促进上层32与其表面26的杂化，以允许衬底10的第一面11对构成上层的与保护层22相接触的面34的第一原子层中至少5％或10％或50％或70％或超过70％造成偏离；
和/或，对衬底10与上层32之间的磁耦合效应进行控制。
优选地，保护层20具有不会由于暴露在空气和/或水中而降低的性质。保护层22因此能够由贵金属制成。
能够依据衬底的第一面11和/或保护层22和/或上层32的特性来选择用于制作以上器件(30、40、50)的材料。
当保护层由人工合金制成时。
保护层22的厚度的选择能够依据保护层22的成分以及与所述保护层接触的面11的成分来进行(J.Phys.:Condens.Matter 14(2002)R169–R193；Applied SurfaceScience,Volumes 162–163,1 August 2000,Pages 78-85；a more general ref:Nanomagnetism:Ultrathin Films,Multilayers and Nanostructures Vol.1 Chap.3p.61(2006))(凝聚材料物理学杂志，2002年，14期，第R169-R193页；应用表面科学，2000年8月1日，162-163卷，第78-85页；更一般的参考：纳米磁学：超薄膜、多层及纳米结构，2006年，第1卷，第3章，第61页)。
表1
应当将初始衬底上的层10和20的外延生长要求以及保护层22与上层32之间的界面处的精确的相累加考虑在内的厚度选择还能够被优化以考虑到器件的工作温度(Rep.Prog.Phys.65(2002)99–141)(物理学进展报道，2002年，65期，第99-141页)。表1中公开的保护层厚度能够具有所述数值的倍数值，以促进第一面11与上层32之间的磁耦合现象(Physical Review Letter，80，1754(1998))(物理评论快报，1998年，80期，第1754页)。该现象保持高达130个单层的保护层厚度(Applied Surface Science，Volumes 162–163，1August 2000)(应用表面科学，2000年8月1日，162-163期)。然而，当厚度增大时交换耦合的强度减小(Nanomagnetism:Ultrathin Films,Multilayers and Nanostructures Vol 1Chap.3 p.61(2006))。优选地，根据之前所设定的标准，保护层的厚度因此保持很小。
表1示出了衬底10/保护层22对的一些具体示例。在保护层与空气和/或水接触时不会分解的附加条件下，能够使用任何另外满足某些自旋电子条件的衬底10/保护层22对(Fert，Nobel Lectures 2008 Angew.Chem.Int.Ed.2008，47，5956-5967，Nanomagnetism:Ultrathin Films，Multilayers and Nanostructures Vol 1Chap.3 p.61(2006))。例如对于衬底10可以涉及以下元素之一：Fe(100)、Fe(111)、Co(100)、Co(111)、Ni(100)、Ni(111)、六方密堆积(hcp)Co(0001)，并且保护层22由以下元素之一制成：Ag(100)、Ag(111)、Cu(100)、Cu(111)、Au(100)、Au(111)。
以上制造方法尤其具有以下优点：
衬底10一旦由保护层22覆盖就能够被保存在或者转移到氧化环境或者湿润环境中而不降低衬底10的第一面11的磁化特性；
能够在氧化氛围环境中或者具有使衬底10及其上部的面11的自旋电子特性减弱的性质的环境中来完成中间器件20之上的上层的沉积；
具有在与衬底10直接接触时使衬底10的表面11的特性减弱的化学性质的上层32现在能够凭借保护层22被集成在自旋电子器件中；
衬底10的表面11的自旋电子特性能够被定性地(即根据对于由衬底10的磁化所控制的自旋参考框架的自旋偏离的存在)偏移到上层32，使得衬底能够以自旋电子的方式对放置于对衬底10的表面11的自旋电子特性不利的环境中的上层进行控制。
本申请还涉及从前述的制造方法之一中所得到的器件。
第一器件为自旋注入器30，包括被插入到衬底10与上层32之间或者将二者分隔的中间层20(图2)。
第二器件40为偏移自旋电子驱动有机层，包括被置于中间器件20之上的自旋注入器30(图3)。
第三器件50为保护性有机自旋电子结。保护性有机自旋电子结包括至少一个自旋注入器30，自旋注入器30的面对并与保护层的面26相对的上层32的面36覆盖有诸如衬底10之类的导电的磁性元件。优选地，使用保护层22将中间层32与器件50的两个衬底10分隔开(图4)。
这些器件的特性与针对其制造方法所提到的特性相同或者相似。
前述器件(10、32)的外部和相对的元件能够被电连接到强度源以允许电流流经上层32。
有利地，这些器件使得凭借被保护以免受上层32或者甚至是上层32的环境(空气、水)影响的磁性衬底10能够对上层32的磁化以及因此对自旋偏离参考框架加以控制。金属保护层的使用使得这些器件能够具有低电阻率。
全部的前述器件可包括用于对衬底10和/或衬底10的面11的磁性进行控制的装置，以能够启动并控制衬底10的磁性参考框架。例如，这能够通过用于给衬底施加磁场、电场、电磁场、衬底的机械膨胀和/或收缩甚至是磁性衬底的温度变化的装置来实现。对衬底10的磁性的控制因此使得能够对上层32的强度和自旋偏离进行控制。

Claims (11)

1.一种用于制造自旋注入器件(30)的方法，包括以下步骤：
a)在衬底(10)的面(11)上形成金属保护层(22)以限制或者阻止所述面被环境氧化和/或污染，所述衬底(10)的所述面(11)为磁性的并且导电的，所述金属保护层(22)具有反磁性或顺磁性的性质；
b)在所述金属保护层(22)上形成上层(32)，所述上层(32)能够根据由所述衬底(10)和/或所述衬底(10)的所述面(11)的磁性限定的幅度和自旋参考框架来促进所述金属保护层(22)与所述上层(32)之间的界面的费米能级附近的电子态的自旋偏离，所述上层(32)为有机层，所述有机层的与所述金属保护层(22)接触的一个或更多个分子位置具有由单一的磁性参考框架所表征的顺磁矩，所述单一的磁性参考框架在空间和时间上是固定的并且基于所述衬底(10)和/或所述衬底(10)的所述面(11)的磁性参考框架。
2.根据权利要求1所述的用于制造自旋注入器件(30)的方法，其中，所述金属保护层(22)由一种或多种贵金属制成。
3.根据权利要求1或2所述的用于制造自旋注入器件(30)的方法，其中，所述金属保护层(22)沿与所述衬底(10)的所述面(11)垂直的方向上的厚度介于构成所述金属保护层的原子层的厚度的1至130倍之间。
4.根据权利要求1或2所述的用于制造自旋注入器件(30)的方法，其中，所述上层(32)包括至少以下元素之一：碳、氮、氧、氟、硼、铁、钴、锰、铜、钒、锌、镁、硅。
5.根据权利要求1或2所述的用于制造自旋注入器件(30)的方法，其中，所述衬底(10)的所述面(11)至少包括以下元素之一：钴、和/或镍、和/或铁、和/或具有4d和/或5d类型金属的铁合金或钴合金、和/或一种或更多种磁性氧化物。
6.根据权利要求1或2所述的用于制造自旋注入器件(30)的方法，其中，所述衬底(10)的所述面(11)是结晶的。
7.根据权利要求1或2所述的用于制造自旋注入器件(30)的方法，其中，所述衬底(10)的所述面(11)是无定形的。
8.根据权利要求1或2所述的用于制造自旋注入器件(30)的方法，进一步包括制造用于对所述衬底(10)和/或所述衬底(10)的所述面(11)的磁性进行控制的装置。
9.一种用于制造器件(40、50)的方法，该方法包括实施根据权利要求1或2所述的用于制造自旋注入器件(30)的方法在内，并且其中，所述自旋注入器件(30)被连接到一包括有设置在第二衬底上的第二保护层的中间器件(20)，所述中间器件(20)的所述第二保护层被设置为紧靠所述自旋注入器件(30)的所述衬底(10)或者所述上层(32)。
10.根据权利要求1或9所述的方法，其中，所述器件(30、40、50)的外部相对层(10、32)被连接到电流发生装置。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述电流发生装置能够针对高于-50℃的工作温度输出用于流经至少所述自旋注入器件(30)的所述金属保护层(22)而被偏离至少10％的偏离电流。
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