CN106449968B - 一种产生自旋极化的石墨烯器件及其制备方法 - Google Patents
一种产生自旋极化的石墨烯器件及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN106449968B CN106449968B CN201611047812.7A CN201611047812A CN106449968B CN 106449968 B CN106449968 B CN 106449968B CN 201611047812 A CN201611047812 A CN 201611047812A CN 106449968 B CN106449968 B CN 106449968B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- graphene
- nanometer sheet
- layer
- magnetic insulator
- magnetic
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 154
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 149
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 24
- 230000005291 magnetic effect Effects 0.000 claims abstract description 133
- 239000012212 insulator Substances 0.000 claims abstract description 110
- 239000002356 single layer Substances 0.000 claims abstract description 60
- 230000010287 polarization Effects 0.000 claims abstract description 28
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 19
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims abstract description 9
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 66
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 32
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 32
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 26
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims description 18
- 239000000872 buffer Substances 0.000 claims description 12
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 11
- 230000005389 magnetism Effects 0.000 claims description 8
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 claims description 7
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims description 7
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 6
- 238000005411 Van der Waals force Methods 0.000 claims description 5
- 150000001336 alkenes Chemical class 0.000 claims description 5
- 230000005303 antiferromagnetism Effects 0.000 claims description 4
- 238000000609 electron-beam lithography Methods 0.000 claims description 4
- 238000001027 hydrothermal synthesis Methods 0.000 claims description 4
- 235000007164 Oryza sativa Nutrition 0.000 claims description 3
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 3
- 230000005307 ferromagnetism Effects 0.000 claims description 3
- 238000009396 hybridization Methods 0.000 claims description 3
- 235000009566 rice Nutrition 0.000 claims description 3
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 2
- -1 graphite Alkene Chemical class 0.000 claims description 2
- 239000004575 stone Substances 0.000 claims description 2
- 238000002207 thermal evaporation Methods 0.000 claims description 2
- 206010068150 Acoustic shock Diseases 0.000 claims 1
- 240000007594 Oryza sativa Species 0.000 claims 1
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 claims 1
- 238000004549 pulsed laser deposition Methods 0.000 claims 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 abstract description 5
- 230000008878 coupling Effects 0.000 abstract description 3
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 abstract description 3
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 abstract description 3
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 abstract description 3
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 abstract description 2
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 abstract description 2
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 abstract 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 abstract 1
- 229910002902 BiFeO3 Inorganic materials 0.000 description 7
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 6
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 description 6
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 description 6
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 6
- 230000005294 ferromagnetic effect Effects 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 239000007775 ferroic material Substances 0.000 description 4
- 230000005669 field effect Effects 0.000 description 4
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 4
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000002800 charge carrier Substances 0.000 description 3
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 3
- 230000009514 concussion Effects 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 239000010408 film Substances 0.000 description 3
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000005690 magnetoelectric effect Effects 0.000 description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 3
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 3
- 230000032258 transport Effects 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 241000209094 Oryza Species 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004026 adhesive bonding Methods 0.000 description 2
- 239000002390 adhesive tape Substances 0.000 description 2
- 230000005290 antiferromagnetic effect Effects 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 2
- 238000009987 spinning Methods 0.000 description 2
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 description 1
- 206010044565 Tremor Diseases 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 229910052797 bismuth Inorganic materials 0.000 description 1
- JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N bismuth atom Chemical compound [Bi] JCXGWMGPZLAOME-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 238000005566 electron beam evaporation Methods 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 239000003302 ferromagnetic material Substances 0.000 description 1
- 239000003292 glue Substances 0.000 description 1
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000005416 organic matter Substances 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002927 oxygen compounds Chemical class 0.000 description 1
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 1
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 1
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 1
- 238000004448 titration Methods 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N52/00—Hall-effect devices
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N52/00—Hall-effect devices
- H10N52/01—Manufacture or treatment
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Hall/Mr Elements (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Abstract
本发明公开了一种产生自旋极化的石墨烯器件及其制备方法。本发明采用微机械剥离法制备单层石墨烯，根据单层石墨烯的水平尺寸，挑选磁性绝缘体纳米片，通过纳米微机械显微操纵台的玻璃针尖将磁性绝缘体纳米片转移到单层石墨烯上，形成磁性绝缘体纳米片/石墨烯异质结构；在磁性绝缘体纳米片上方压上电子束抗蚀剂片，从而使得磁性绝缘体纳米片与单层石墨烯更紧密结合，有利于出现石墨烯的自旋极化，还可以防止旋涂导致的石墨烯破裂，提高成品率；本发明结合纳米材料的优点，方便调控单层石墨烯和磁性绝缘体纳米片的耦合作用，改善石墨烯自旋极化的效率；同时具有成本低、成品率高、易推广的优势，达到便捷高效、灵活操作的目的。
Description
技术领域
本发明涉及石墨烯自旋极化技术，具体涉及一种产生石墨烯自旋极化的器件及其制备方法。
背景技术
石墨烯作为一种天然的二维材料，其优异的物理、化学和机械性能，如高导电率、高电子迁移率、高导热率、高硬度，还有可调载流子浓度的特性，数微米的自旋输运相干扩散长度，使得石墨烯成为一种非常有前景的自旋电子学的基础材料。石墨烯在自旋电子学应用可作为导电通道，传输自旋极化的电流，比如，研究人员已经构造铁磁金属/石墨烯/铁磁金属三明治结构的自旋阀，可以在石墨烯中注入自旋极化电流。但铁磁材料与石墨烯的电导失配或者其他相关效应导致自旋注入效率较低。为了能更好地应用于自旋电子器件，直接诱导石墨烯自旋极化是最为合适。但是，石墨烯本身没有磁性且内禀自旋-轨道耦合极弱，石墨烯上实现自旋极化较为困难。
Havard Haugen等研究人员发现，通过在石墨烯上面加铁磁绝缘体材料，其磁邻近作用可以在石墨烯上诱导出交换场，使石墨烯实现自旋极化。
目前，利用磁性绝缘体实现石墨烯自旋极化输运仍主要处于理论研究阶段。由于制备技术所限制，磁性绝缘体/石墨烯异质结构器件的相关报道较少，且石墨烯自旋极化效率较低，这其中很大影响是来源于石墨烯转移工艺。转移石墨烯过程很容易降低石墨烯的品质，影响自旋极化效率。此外，为实现有效的隧穿电流，它们所用的磁性绝缘体为小于50nm厚度的高质量薄膜，导致所用的仪器较为昂贵且工艺较为复杂，成品率也不高。
发明内容
针对以上现有技术中存在的问题，产生自旋极化的石墨烯器件及其制备方法，解决了现有技术的成本昂贵、成品率低、不易推广的问题，达到便捷高效、灵活操作的目的。
本发明的一个目的在于提供一种产生自旋极化的石墨烯器件。
本发明的产生自旋极化的石墨烯器件包括：衬底、单层石墨烯、磁性绝缘体纳米片和金属电极；其中，衬底包括下层的导电层和上层的绝缘层；微机械剥离法制备的单层石墨烯通过范德瓦耳斯力粘附在衬底的绝缘层上磁性绝缘体纳米片位于单层石墨烯的中心，形成垂直方向的磁性绝缘体纳米片/石墨烯异质结构，磁性绝缘体纳米片的水平尺寸与单层石墨烯的水平尺寸的比例小于2/3；金属电极位于单层石墨烯上并且位于磁性绝缘体纳米片的四周；磁性绝缘体纳米片的形状为片状或条带状，表面平整光滑，材料具有单相铁磁性、反铁磁性或多铁性；磁性绝缘体纳米片/石墨烯异质结构，在磁性绝缘体纳米片与单层石墨烯的界面，磁性绝缘体纳米片中磁性原子的电子轨道和单层石墨烯的π电子轨道杂化产生磁邻近作用，通过磁性绝缘体纳米片的磁邻近作用，诱导单层石墨烯上产生交换场，使得单层石墨烯出现塞曼分裂而导致自旋极化。
在衬底中，导电层为高浓度p型掺杂；导电层上方的绝缘层采用氧化物，厚度为280～300nm。
单层石墨烯具有高载流子迁移率。
磁性绝缘体纳米片的制备方法具有多样性，水热法、化学气相沉积法或激光脉冲沉积等其他制备方法；磁性绝缘体纳米片的长和宽均为微米量级，厚度在70～700nm。
金属电极包括缓冲层和金属层，其中，缓冲层粘附在衬底上，金属层位于缓冲层上，缓冲层采用功函数在石墨烯和金属层的功函数之间的金属，比如金属层采用Au，则缓冲层选择Pd或Ti可起到减小肖特基势垒和增加金属层与衬底粘附性的作用；缓冲层的厚度为5～10nm，金属层的厚度大于40nm。
磁性绝缘体纳米片具有多铁性，在磁性绝缘体纳米片上加上顶栅，形成双栅场效应晶体管，利用多铁性材料的磁电耦合效应，用顶栅电压调制多铁性材料的磁性，最终实现顶栅电压调制石墨烯的自旋极化。
本发明的另一个目的在于提供一种产生自旋极化的石墨烯器件的制备方法。
本发明的产生自旋极化的石墨烯器件的制备方法，包括以下步骤：
1)提供表面洁净的衬底，衬底包括下层的导电层和上层的绝缘层；
2)采用微机械剥离法制备单层石墨烯，并通过范德瓦耳斯力粘附在衬底的绝缘层上；
3)根据单层石墨烯的水平尺寸，挑选磁性绝缘体纳米片，磁性绝缘体纳米片的水平尺寸与单层石墨烯的水平尺寸的比例小于2/3，磁性绝缘体纳米片的形状为片状或条带状，表面平整光滑，材料具有单相铁磁性、反铁磁性或多铁性；
4)将磁性绝缘体纳米片吸附在纳米微机械显微操纵台的玻璃针尖上，通过玻璃针尖将磁性绝缘体纳米片转移并吸附在单层石墨烯上，并使得磁性绝缘体纳米片位于单层石墨烯的中间，形成垂直方向的磁性绝缘体纳米片/石墨烯异质结构；
5)在磁性绝缘体纳米片的上方压上电子束抗蚀剂片，从而使得磁性绝缘体纳米片与单层石墨烯更紧密结合，电子束抗蚀剂片的水平尺寸大于单层石墨烯的水平尺寸；
6)采用电子束曝光技术，在单层石墨烯上面形成金属电极的图案，电子束曝光技术的工艺过程中同时除去电子束抗蚀剂片；
7)采用电子束镀膜或热蒸发镀膜技术制备金属电极：先镀上缓冲层，再镀上金属层；
8)根据实际需要，重复步骤6)和7)，形成石墨烯器件。
其中，在步骤1)中，衬底的导电层为高浓度p型掺杂；导电层上方的绝缘层采用氧化物，厚度为280～300nm；衬底的表面洁净。
在步骤3)中，磁性绝缘体纳米片的表面平整干净，长宽为微米量级，根据石墨烯尺寸而选择合适尺寸的磁性绝缘体纳米片；如果磁性绝缘体纳米片的水平尺寸大于100nm，则将磁性绝缘体纳米片放入溶液中进行高功率超声震荡以获得小尺寸的磁性绝缘体纳米片；粉末型的磁性绝缘体纳米片平铺在有凹槽的基底上，可多次重复挑选使用。
磁性绝缘体纳米片的制备方法具有多样性，水热法、化学气相沉积法或激光脉冲沉积等其他制备方法；磁性绝缘体纳米片的长和宽均为微米量级，厚度在70～700nm。
异质结构的界面质量对于形成强的邻近作用非常重要，因此，制备工艺过程要保证界面的干净和平整，尽量在超净间进行实验，以实现高质量的磁性绝缘体/石墨烯的异质界面。
在步骤7)中，缓冲层采用功函数在石墨烯和金属层的功函数之间的金属；缓冲层的厚度为5～10nm，金属层的厚度大于40nm。
磁性绝缘体纳米片具有多铁性，在磁性绝缘体纳米片上加上顶栅，形成双栅场效应晶体管，利用多铁性材料的磁电耦合效应，用顶栅电压调制多铁性材料的磁性，最终实现顶栅电压调制石墨烯的自旋极化。
本发明的优点：
本发明采用微机械剥离法制备单层石墨烯，根据单层石墨烯的水平尺寸，挑选磁性绝缘体纳米片，通过纳米微机械显微操纵台的玻璃针尖将磁性绝缘体纳米片转移到单层石墨烯上，形成磁性绝缘体纳米片/石墨烯异质结构；在磁性绝缘体纳米片上方压上电子束抗蚀剂片，从而使得磁性绝缘体纳米片与单层石墨烯更紧密结合，有利于出现石墨烯的自旋极化，还可以防止旋涂导致的石墨烯破裂，提高成品率；本发明结合纳米材料的优点，方便调控单层石墨烯和磁性绝缘体纳米片的耦合作用，改善石墨烯自旋极化的效率；同时具有成本低、成品率高、易推广的优势，达到便捷高效、灵活操作的目的。
附图说明
图1为单层石墨烯狄拉克(Dirac)锥型能带结构图，其中，(a)为未出现塞曼分裂的单层石墨烯Dirac锥型能带结构；(b)为出现塞曼分裂的石墨烯Dirac锥型能带结构，电荷中性点存在自旋向上的空穴和自旋向下的电子，图1中：1为未塞曼分裂的Dirac锥、2为费米能级、3为自旋向上的Dirac锥、4为自旋向下的Dirac锥、5为塞曼分裂能隙大小；
图2为本发明的产生自旋极化的石墨烯器件的制备方法的一个实施例的流程图，图2中：6为单层石墨烯、7为衬底、8为磁性绝缘体纳米片、9为微操纵仪的玻璃探针以及10为金属电极；
图3为本发明的产生自旋极化的石墨烯器件的一个实施例的测量示意图，其中，(a)为石墨烯器件的示意图，(b)为非局域测量法的连接关系示意图，(c)为霍尔测量法的连接关系示意图，图3中：Vg为背压、Bext为外加磁场、I为电流、UNL为非局域电压、UL为局域电压以及Uxx为纵向电压及Uxy为霍尔电压；
图4为本发明的产生自旋极化的石墨烯器件的一个实施例在温度T＝95mK，垂直向上的外磁场B＝0.5T下，非局域测量法获得的非局域电阻RNL-背压Vg曲线图；
图5为本发明的产生自旋极化的石墨烯器件的一个实施例在温度T＝1.4K时，霍尔测量法获得的在不同磁场强度下纵向电阻Rxx-背压Vg曲线(转移曲线)图，图5中虚线用于指示出现电阻抖降的位置；
图6为双栅控制的基于多铁性绝缘体的场效应晶体管的剖面图，图6中：11为源极、12为顶栅、13为漏极以及14为背栅。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。
本发明的物理机理：磁性绝缘体纳米片与石墨烯形成异质结构，磁性绝缘体纳米片中磁性原子的电子轨道和石墨烯的π电子轨道杂化是界面处磁邻近作用的来源。通过磁性绝缘体的磁邻近作用，诱导石墨烯上产生交换场，使得石墨烯出现塞曼分裂而导致自旋极化。如图1(a)所示，初始石墨烯的自旋向上和向下能带是简并；当存在塞曼分裂时如图1(b)所示，石墨烯自旋向上和自旋向下的能带分别朝相反方向移动。当无外加磁场，此时的塞曼分裂能隙仅来源于磁性绝缘体作用诱导产生的交换场。当外加磁场，此时的塞曼分裂能隙来源于外加磁场和磁性绝缘体作用诱导产生的交换场。
本实施例中，磁性绝缘体纳米片的材料采用铁酸铋BiFeO3，是一种反铁磁绝缘体材料。磁性绝缘体纳米片的某铁磁晶面与单层石墨烯接触，单层石墨烯π轨道和BiFeO3中Fe原子的3d轨道交换相互作用和杂化，通过接触界面的磁邻近作用，BiFeO3诱导石墨烯出现强的交换场，使得石墨烯产生塞曼分裂而出现自旋极化。
如图2所示，本实施例中产生自旋极化的石墨烯器件的制备方法，包括以下步骤：
1)提供表面洁净的衬底，衬底包括下层的导电层和上层的绝缘层：导电层采用高浓度p型掺杂的硅片，绝缘层采用285nm厚的氧化硅，绝缘层上面带有金属的坐标标记；将衬底依次用丙酮，乙醇超声清洗，再用氮气枪或洗耳球快速吹干；若硅片较脏，需要比较完全地去除表面附着的有机物，应当按照标准的硅片清洗工艺进行处理。
2)采用微机械剥离法制备单层石墨烯，并通过范德瓦耳斯力粘附在衬底的绝缘层上：选用B型kish石墨片作为制备单层石墨烯的原材料，取一石墨片放于3M Scotch隐形胶带上，反复折叠轻压多次，将石墨烯解离减薄，将清洗后的衬底预先摆好，把胶带缓缓贴上去，用手指或其它柔性物体缓缓抚平，静置20～40分钟后，再缓慢揭去胶带，随后便可以在光学显微镜下寻找在衬底上的单层石墨烯，如图2(a)所示。
3)根据单层石墨烯的水平尺寸，挑选合适尺寸的磁性绝缘体纳米片：把水热法制得的钙钛矿结构BiFeO3粉末进行高功率超声震荡，以获得薄而平整的磁性绝缘体纳米片；挑选表面平整的磁性绝缘体纳米片。BiFeO3粉末是由水热法制备，由于是层状生长，可用高功率超声震荡获得更薄更平整的BiFeO3纳米片或微米片，主要呈(012)晶面；如果BiFeO3与石墨烯接触的表面正好是易磁化面(111)，界面处会产生更强的磁邻近效应，导致更大的交换场，实现石墨烯更强的自旋极化；转移磁性绝缘体纳米片的步骤中最好让磁性绝缘体纳米片的上表面吸附在玻璃针尖上，下表面接触单层石墨烯时磁性绝缘体纳米片就被吸附在单层石墨烯上，这样操作有利于避免针尖损坏单层石墨烯。
4)通过纳米微机械显微操纵台的玻璃针尖将磁性绝缘体纳米片转移到单层石墨烯上，并使得磁性绝缘体纳米片位于单层石墨烯的中间，形成异质结构，如图2(b)所示。
5)在磁性绝缘体纳米片上方压上电子束抗蚀剂片，抗蚀剂采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，从而使得磁性绝缘体纳米片与单层石墨烯更紧密结合，电子束抗蚀剂片的水平尺寸大于石墨烯的水平尺寸。
6)采用电子束曝光技术制备金属电极的图案：涂胶、前烘、电子束曝光、显影、镀膜和去胶，具体步骤和参数条件如下：以2700r/min旋涂9％PMMA溶液40s，样品在加热板上130℃烘烤5min；在加装RaithElphy Plus的扫描电镜上进行电子束曝光；显影液配方为l：1MIBK：IPA，把显影液滴定在曝光后的样品上，40～60秒后用异丙醇冲洗干净，即去除显影区域的PMMA。
7)采用电子束蒸镀Pd/Au金属电极，厚度为5nm/80nm；把镀完的样品放入丙酮溶液浸泡几个小时，随后把电极以外的金属/PMMA剥离，留下目标电极，如图2(c)所示。
8)再经过步骤6)和7)同样的涂胶、前烘、电子束曝光、显影步骤，随后用氧等离子刻蚀出石墨烯霍尔棒(hall bar)结构；最后把样品放丙酮溶液中浸泡6～10min，去除样品表面的PMMA，吹干，得到石墨烯器件，如图2(d)所示。霍尔棒结构可用于探测石墨烯的自旋极化。此实施例中的器件构型并非最优结构，比如，可以把金属电极更靠近磁性绝缘体纳米片，尽量减小裸露石墨烯部分，可进一步提高探测到的自旋极化信号。
石墨烯自旋极化的实验探测：
在垂直向上的弱外磁场下，在磁性绝缘体/石墨烯异质结构中石墨烯受到外加磁场和磁邻近效应诱导的交换场，两者共同作用产生塞曼分裂，能带结构简图如图1(b)所示，自旋向上和向下的Dirac锥朝相反方向移动，在费米能级处就存在同等浓度的自旋向上的空穴和自旋向下的电子。自旋极化的载流子在石墨烯中具有很长的扩散长度，在外加磁场的洛仑磁力作用下，在较远的一端可以探测到自旋极化载流子导致的非局域信号。图3(b)显示的非局域测量法，可用于探测自旋极化载流子的自旋流：产生的自旋极化的电子和空穴在霍尔棒通道上向左边移动，在非局域端可以探测到自旋极化载流子导致的电压信号UNL，非局域电阻RNL＝UNL/I。用这种逆自旋霍尔效应可用于探测石墨烯的自旋极化。
如图4所示，在外加弱磁场(B＝0.5T)下，非局域电阻RNL在Dirac点附近(Vg～6V)出现强信号峰，远大于欧姆泄露导致的非局域电阻信号。结果说明，测得的非局域电阻信号主要来源于塞曼分裂导致的自旋极化。基于以往的文献结果，外加弱磁场B＝0.5T对石墨烯产生的塞曼分裂非常小。因此可知，本结果中非局域电阻RNL在Dirac点附近出现强信号峰主要是来源于磁性绝缘体在石墨烯上诱导交换场而产生塞曼分裂，最终导致石墨烯的自旋极化。
在磁性绝缘体/石墨烯异质结构中，磁性绝缘体纳米片的磁邻近作用诱导产生足够大的交换场，出现强塞曼分裂，在一定强度的外垂直磁场下还形成了自旋极化的边缘态，会出现螺旋型拓扑边缘态(helical topological edge states)的输运。采用霍尔测量法，如图3(c)所示，获得的纵向电阻Rxx-背压Vg曲线如图5所示：在3T≤B⊥≤10T范围，虚线位置出现的电阻抖降到500～1200Ω就是来源于出现螺旋型拓扑边缘态传输通道。这种螺旋型拓扑边缘态输运有助于实现低能耗的自旋电子器件。具体的理论背景可参考量子霍尔铁磁态(QHFM)。
本实施例中的塞曼分裂是由磁邻近效应诱导的交换场Bexc和外垂直磁场B⊥共同产生的，塞曼分裂能EZ＝μB(B⊥+Bexc)，基于铁磁相到倾斜反铁磁相的相变理论，可估算得到磁邻近效应诱导产生的交换场Bexc在23.8～345.5T范围，说明在磁性绝缘体/石墨烯异质结构中，BiFeO3的邻近作用能在石墨烯上诱导足够大的交换场，从而出现显著的石墨烯自旋极化。
图6显示双栅控制的基于多铁性绝缘体的场效应晶体管。本发明的磁性绝缘体纳米片/石墨烯异质结构，如果磁性绝缘体纳米片是多铁性，比如具体实施例的BiFeO3，还可以在磁性绝缘体纳米片上面加上顶栅，利用多铁材料的磁电耦合效应，用顶栅电压调制多铁材料的磁性，最终实现顶栅电压调制石墨烯的自旋极化。
最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种产生自旋极化的石墨烯器件的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
1)提供表面洁净的衬底，衬底包括下层的导电层和上层的绝缘层；
2)采用微机械剥离法制备单层石墨烯，并通过范德瓦耳斯力粘附在衬底的绝缘层上；
3)根据单层石墨烯的水平尺寸，挑选磁性绝缘体纳米片，磁性绝缘体纳米片的水平尺寸与单层石墨烯的水平尺寸的比例小于2/3，磁性绝缘体纳米片的形状为片状或条带状，表面平整光滑，材料具有单相铁磁性、反铁磁性或多铁性；
4)将磁性绝缘体纳米片吸附在纳米微机械显微操纵台的玻璃针尖上，通过玻璃针尖将磁性绝缘体纳米片转移并吸附在单层石墨烯上，并使得磁性绝缘体纳米片位于单层石墨烯的中间，形成垂直方向的磁性绝缘体纳米片/石墨烯异质结构；
5)在磁性绝缘体纳米片的上方压上电子束抗蚀剂片，从而使得磁性绝缘体纳米片与单层石墨烯更紧密结合，电子束抗蚀剂片的水平尺寸大于单层石墨烯的水平尺寸；
6)采用电子束曝光技术，在单层石墨烯上面形成金属电极的图案，电子束曝光技术的工艺过程中同时除去电子束抗蚀剂片；
7)采用电子束镀膜或热蒸发镀膜技术制备金属电极：先镀上缓冲层，再镀上金属层；
8)根据实际需要，重复步骤6)和7)，形成石墨烯器件。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤1)中，衬底的导电层为高浓度p型掺杂；导电层上方的绝缘层采用氧化物，厚度为280～300nm；衬底的表面洁净。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤3)中，磁性绝缘体纳米片的表面平整干净，长宽为微米量级，根据石墨烯尺寸而选择合适尺寸的磁性绝缘体纳米片；如果磁性绝缘体纳米片的水平尺寸大于100nm，则将磁性绝缘体纳米片放入溶液中进行高功率超声震荡以获得小尺寸的磁性绝缘体纳米片。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤3)中，磁性绝缘体纳米片的制备方法采用水热法、化学气相沉积法或激光脉冲沉积的物理制备法；磁性绝缘体纳米片的长和宽均为微米量级，厚度在70～700nm。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤7)中，缓冲层采用功函数在石墨烯和金属层的功函数之间的金属；缓冲层的厚度为5～10nm，金属层的厚度大于40nm。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法在超净间进行，以保证磁性绝缘体纳米片与单层石墨烯界面的干净和平整，从而异质结构的界面形成强的邻近作用。
7.一种产生自旋极化的石墨烯器件，其特征在于，所述石墨烯器件包括：衬底、单层石墨烯、磁性绝缘体纳米片和金属电极；其中，所述衬底包括下层的导电层和上层的绝缘层；微机械剥离法制备的单层石墨烯通过范德瓦耳斯力粘附在衬底的绝缘层上磁性绝缘体纳米片位于单层石墨烯的中心，形成垂直方向的磁性绝缘体纳米片/石墨烯异质结构，所述磁性绝缘体纳米片的水平尺寸与单层石墨烯的水平尺寸的比例小于2/3；所述金属电极位于单层石墨烯上并且位于磁性绝缘体纳米片的四周；所述磁性绝缘体纳米片的形状为片状或条带状，表面平整光滑，材料具有单相铁磁性、反铁磁性或多铁性；磁性绝缘体纳米片/石墨烯异质结构，在磁性绝缘体纳米片与单层石墨烯的界面，磁性绝缘体纳米片中磁性原子的电子轨道和单层石墨烯的π电子轨道杂化产生磁邻近作用，通过磁性绝缘体纳米片的磁邻近作用，诱导单层石墨烯上产生交换场，使得单层石墨烯出现塞曼分裂而导致自旋极化。
8.如权利要求7所述的石墨烯器件，其特征在于，所述导电层为高浓度p型掺杂；导电层上方的绝缘层采用氧化物，厚度为280～300nm。
9.如权利要求7所述的石墨烯器件，其特征在于，所述磁性绝缘体纳米片的长和宽均为微米量级，厚度在70～700nm。
10.如权利要求7所述的石墨烯器件，其特征在于，如果磁性绝缘体纳米片具有多铁性，在磁性绝缘体纳米片上加上顶栅，形成双栅场效应晶体管，实现石墨烯的自旋极化的调制。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201611047812.7A CN106449968B (zh) | 2016-11-21 | 2016-11-21 | 一种产生自旋极化的石墨烯器件及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201611047812.7A CN106449968B (zh) | 2016-11-21 | 2016-11-21 | 一种产生自旋极化的石墨烯器件及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN106449968A CN106449968A (zh) | 2017-02-22 |
| CN106449968B true CN106449968B (zh) | 2018-08-10 |
Family
ID=58218249
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201611047812.7A Active CN106449968B (zh) | 2016-11-21 | 2016-11-21 | 一种产生自旋极化的石墨烯器件及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN106449968B (zh) |
Families Citing this family (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110085660B (zh) * | 2019-04-15 | 2020-07-28 | 北京大学 | 一种拓扑场效应晶体管及其实现方法 |
| CN110426429A (zh) * | 2019-08-01 | 2019-11-08 | 电子科技大学 | 一种基于二维玻璃石墨烯的化学传感器阵列 |
| CN110854190B (zh) * | 2019-10-28 | 2022-09-16 | 南京邮电大学 | 一种单层二硫化钼能谷协调的单极型自旋二极管 |
| CN110780360B (zh) * | 2019-11-18 | 2021-06-29 | 湖北工程学院 | 一种基于石墨烯纳米条超材料结构的慢光器件 |
| CN111403597B (zh) * | 2020-02-27 | 2020-12-04 | 中国计量科学研究院 | 石墨烯量子霍尔器件制备方法以及石墨烯量子霍尔器件 |
| CN111519186B (zh) * | 2020-05-26 | 2022-06-14 | 中国人民解放军国防科技大学 | 一种铁磁/石墨烯外延界面及其低温制备方法 |
| CN114920462A (zh) * | 2021-05-24 | 2022-08-19 | 吴尚荣 | 一种具有磁力吸附效果的玻璃砖 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102315255B (zh) * | 2010-07-07 | 2013-10-16 | 中国科学院物理研究所 | 一种自旋场效应晶体管及其磁性存储器 |
| CN103490007B (zh) * | 2013-09-28 | 2016-03-30 | 复旦大学 | 一种基于石墨烯纳米带的自旋阀及其制备方法 |
| CN104269493B (zh) * | 2014-10-13 | 2017-02-01 | 山东大学 | 一种有机单晶自旋二极管及其制备方法 |
-
2016
- 2016-11-21 CN CN201611047812.7A patent/CN106449968B/zh active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN106449968A (zh) | 2017-02-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN106449968B (zh) | 一种产生自旋极化的石墨烯器件及其制备方法 | |
| Dankert et al. | Tunnel magnetoresistance with atomically thin two-dimensional hexagonal boron nitride barriers | |
| CN106784115B (zh) | 费米能级可调的pin结构石墨烯光探测器及其制备方法 | |
| CN103413832A (zh) | 一种金属氧化物薄膜晶体管及其制备方法 | |
| Watanabe et al. | Direct determination of interfacial molecular orientations in field-effect devices of P3HT/PCBM composites by electron spin resonance | |
| CN107342228A (zh) | 一种场效应晶体管及其制备方法 | |
| Xia et al. | 2D heterostructure of Bi2O2Se/Bi2SeOx nanosheet for resistive random access memory | |
| US10418490B2 (en) | Field effect transistor and manufacturing method thereof | |
| Yang et al. | Conduction control at ferroic domain walls via external stimuli | |
| Lin et al. | Review of a solution-processed vertical organic transistor as a solid-state vacuum tube | |
| Jin et al. | Multifunctional dual gated coupling device using van der Waals ferroelectric heterostructure | |
| Zhang et al. | High‐performance bottom‐contact organic thin‐film transistors by improving the lateral contact | |
| CN109962157B (zh) | 一种自旋电子器件及其制备方法 | |
| CN110085660A (zh) | 一种拓扑场效应晶体管及其实现方法 | |
| CN110071197A (zh) | 一种基于非极性面氮化镓的高极化度自旋led及其制备方法 | |
| CN104934327A (zh) | 一种基于氧化钪高k介电层薄膜晶体管的制备方法 | |
| CN208284503U (zh) | 一种霍尔元件 | |
| CN106960797A (zh) | 一种薄膜晶体管及其制备方法和阵列基板的制备方法 | |
| CN105845314A (zh) | 具有大磁电阻效应的CoFeB/SiO2/n-Si异质结构及制备方法 | |
| Gui et al. | Inserting a Mn-doped TiO2 layer for improving performance of pentacene organic thin-film transistors | |
| CN103824937A (zh) | 一种高速纳米两端非易失性存储器及其制备方法 | |
| CN107146805A (zh) | 阵列基板及显示装置 | |
| CN107369707A (zh) | 基于4H‑SiC衬底异质结自旋场效应晶体管及其制造方法 | |
| Yao et al. | Correlating optimal electrode buffer layer thickness with the surface roughness of the active layer in organic phototransistors | |
| Zhang et al. | An organic field effect transistor memory adopting octadecyltrichlorosilane self-assembled monolayer |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |