CN107119261B - 一种巨自旋霍尔效应合金薄膜材料及其制备方法和用途 - Google Patents

一种巨自旋霍尔效应合金薄膜材料及其制备方法和用途 Download PDF

Info

Publication number
CN107119261B
CN107119261B CN201710321593.5A CN201710321593A CN107119261B CN 107119261 B CN107119261 B CN 107119261B CN 201710321593 A CN201710321593 A CN 201710321593A CN 107119261 B CN107119261 B CN 107119261B
Authority
CN
China
Prior art keywords
target
bismuth
alloy film
substrate
platinum
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
Application number
CN201710321593.5A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107119261A (zh
Inventor
金立川
张怀武
李明明
饶毅恒
唐晓莉
钟智勇
杨青慧
李颉
廖宇龙
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of Electronic Science and Technology of China
Original Assignee
University of Electronic Science and Technology of China
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Electronic Science and Technology of China filed Critical University of Electronic Science and Technology of China
Priority to CN201710321593.5A priority Critical patent/CN107119261B/zh
Publication of CN107119261A publication Critical patent/CN107119261A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107119261B publication Critical patent/CN107119261B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
    • C23C14/34—Sputtering
    • C23C14/35—Sputtering by application of a magnetic field, e.g. magnetron sputtering
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/14—Metallic material, boron or silicon
    • C23C14/16—Metallic material, boron or silicon on metallic substrates or on substrates of boron or silicon
    • C23C14/165—Metallic material, boron or silicon on metallic substrates or on substrates of boron or silicon by cathodic sputtering
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
    • C23C14/06—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the coating material
    • C23C14/14—Metallic material, boron or silicon
    • C23C14/18—Metallic material, boron or silicon on other inorganic substrates
    • C23C14/185—Metallic material, boron or silicon on other inorganic substrates by cathodic sputtering
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N50/00—Galvanomagnetic devices
    • H10N50/80—Constructional details
    • H10N50/85—Magnetic active materials
    • 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

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

一种巨自旋霍尔效应合金薄膜材料，包括铁磁性基片，所述铁磁性基片采用钇铁石榴石材质基片或镍铁材质基片；以及铋铂合金薄膜，所述铋铂合金薄膜使用铂金靶材上贴高纯铋金属薄片或者铋铂BixPt100‑x靶材的方式控制铋的含量在2％‑20％之间、采用真空磁控溅射生长于所述铁磁性基片表面而得到的纳米级厚度的铋铂合金薄膜。本发明同时涉及该合金薄膜材料的制备方法和用途。本发明自旋流的产生效率增加了，同时降低了材料成本。

Description

一种巨自旋霍尔效应合金薄膜材料及其制备方法和用途
技术领域
本发明涉及自旋电子新材料技术领域，具体涉及一种巨自旋霍尔效应合金薄膜材料及其制备方法和用途。
背景技术
随着信息技术的高速发展，传统的电子器件由于存在电流焦耳热，电子器件的小型化和低功耗面领着严峻的瓶颈。电子自旋是电子除电荷之外的另一个属性，可被用来传输和处理信息，即诞生了自旋电子学(Spintronics)。自旋电子传输信息具有极低的功耗，甚至可以完成量子信息的处理和存储，是构建量子信息芯片的理想媒质。自旋霍尔效应(Spin Hall Effect)是在自旋轨道耦合作用下，施加横向电流作用下产生纵向的自旋流的效应，自旋流可以不伴随着电荷的移动，实现无耗散过程，使得样品不产生焦耳热。相反地，逆自旋霍尔效应(Inverse Spin Hall Effect)是指自旋流转换为电流的过程，可以用来测试自旋流的大小。自旋霍尔效应的强弱体现为电流与自旋流转换效率的大小，这个转换效率人们用自旋霍尔角(θSH)表示。当前，自旋霍尔效应研究通常在磁性介质/非磁性重金属异质结体系，然而单一的非磁性重金属的自旋霍尔效应都较弱，最常用的重金属铂(Pt)自旋霍尔角在0.15左右，最大的自旋霍尔角重金属材料是铜铋(CuBi)合金，可达0.24。然而，都无法满足获得更强自旋霍尔效应的材料紧迫需求，有人在拓扑绝缘体材料中获得了大于1的自旋霍尔角材料，但是该材料生长工艺十分复杂，通常需要超高真空的分子束外延系统制备，无法实现大规模的制备和应用。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种巨自旋霍尔效应合金薄膜材料及其制备方法和用途，以在提高材料自旋霍尔角的前提下降低材料的生产成本。
第一方面，本发明提供的一种巨自旋霍尔效应合金薄膜材料，该材料包括
铁磁性基片，
和利用物理气相沉积技术处理在所述铁磁性基片表面的纳米厚度的铋铂合金薄膜，所述铋铂合金薄膜的组分为BixPt100-x，且x＝2-20。也就是说，所述的BixPt100-x薄膜的Bi摩尔比组分在2％-20％之间。
该材料的自旋霍尔角度大于0.23。
本发明中，作为一种优选的技术方案，铁磁性基片为钇铁石榴石(YIG)材质基片或镍铁(NiFe)材质基片。
本发明中，作为一种优选的技术方案，所述铋铂合金薄膜采用真空磁控溅射生长的方式处理在所述铁磁性基片表面。
本发明中，作为一种优选的技术方案，所述铋铂合金薄膜的厚度为1-50nm。
本发明中，作为一种优选的技术方案，所述巨自旋霍尔效应合金薄膜材料包括
铁磁性基片，所述铁磁性基片采用钇铁石榴石(YIG)材质基片或镍铁(NiFe)材质基片；
以及铋铂合金薄膜，所述铋铂合金薄膜使用铂金靶材上贴高纯铋金属薄片或者铋铂BixPt100-x靶材的方式控制铋的含量，采用真空磁控溅射生长于所述铁磁性基片表面的纳米级厚度的铋铂(BiPt)合金薄膜。
通过自旋泵浦产生自旋流并注入到铋铂合金薄膜中，测试反自旋霍尔电压(VISHE)，得到巨自旋霍尔效应的铋铂合金薄膜。
第二方面，本发明提供的巨自旋霍尔效应合金薄膜材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、选择高纯贴铋的铂靶材或者铋铂合金靶材；
S2、将步骤1中的高纯贴铋的铂靶材或者铋铂合金靶材装在LS500型磁控溅射设备腔体靶位；
S3、采用铁磁性基片作为基底，经过丙酮、酒精以及去离子水清洗，用氮气吹干，保证铁磁性基片表面洁净；
S4、将步骤3中铁磁性基片放入LS500型磁控溅射设备中生长BixPt100-x合金薄膜。
本发明中，作为一种优选的技术方案，所述高纯贴铋铂靶材为以高纯度(高于99.99％)铂靶材作为母体，将至少一片高纯铋(高于99.99％)的圆片贴在铂靶表面的溅射轨道上而制成的靶材，且靶材中Bi摩尔比组分在2％-20％之间。
本发明中，作为一种优选的技术方案，所述铋铂合金靶材为熔融制备高纯铋铂合金靶材，且铋铂合金靶材中Bi摩尔比组分在2％-20％之间。
如上所述的，铁磁性薄基片采用钇铁石榴石(YIG)材质基片或镍铁(NiFe)材质基片，当然也可以采用其他铁磁性薄基片，不过发明人经过试验，以钇铁石榴石(YIG)材质基片或镍铁(NiFe)材质基片作为优选。
本发明中，作为一种优选的技术方案，步骤S4具体过程为：
(1)在10-5Pa量级的真空环境下，以10-30SCCM的氩气流量通入真空室，待气压稳定后，背底真空度为0.26-0.5Pa；
(2)在0.26-0.5Pa量级的气压环境下，打开磁控溅射电源，以20-50W的直流功率进行靶材的预溅射，用氩离子轰击清洗高纯贴铋铂靶材或者铋铂合金靶材表面；
(3)打开靶材的挡板，等待以0.1转每秒的转速匀速旋转长有铋铂合金薄膜的铁磁性薄基片，到达设定的生长时间后，关闭溅射电源和靶材挡板，得到所述的合金薄膜材料。
第三方面，本发明提供的巨自旋霍尔效应合金薄膜材料，在自旋电子学、自旋传感器、量子计算领域的应用，应用方法不作赘述。
由上述技术方案可知，本发明具有以下有益效果：
本发明提出一种巨自旋霍尔效应的铋铂(BixPt100-x)合金薄膜材料及其制备方法，简单可行的，所制得的铋铂薄膜相对于纯铂薄膜的自旋霍尔角度显著增大；本发明相比纯铂金材料的自旋霍尔效应，自旋流的产生效率增加了(具体的实验数据在具体实施例中进行描述)，同时降低了材料成本，为巨自旋霍尔材料的制备与研究提供了一种新的方法，在自旋电子学、自旋传感器、量子计算等众多领域有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例1所得到的BiPt合金薄膜的自旋泵浦效应示意图。
图2为自旋转矩铁磁共振(ST-FMR)测试的YIG(490nm)/Pt(10nm)和YIG(490nm)/Bi5Pt95(10nm)体系的逆自旋霍尔电压VISHE曲线。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
一种巨自旋霍尔效应合金薄膜材料，该材料包括铁磁性基片和利用物理气相沉积技术处理在所述铁磁性基片表面的纳米厚度的铋铂合金薄膜，所述铁磁性基片采用钇铁石榴石(YIG)材质磁性薄膜或镍铁(NiFe)材质磁性薄膜，所述铋铂合金薄膜的组分为BixPt100-x，且x＝2-20。所述铋铂合金薄膜的厚度为1-50nm。通过自旋泵浦产生自旋流并注入到铋铂合金薄膜中，测试反自旋霍尔电压(VISHE)，得到巨自旋霍尔效应的铋铂合金薄膜，该材料的自旋霍尔角度大于0.23。
本实施例中，铋铂合金薄膜采用真空磁控溅射生长的方式处理在所述铁磁性基片表面，具体的制备实施例如下所述。
实施例1
巨自旋霍尔效应合金薄膜材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、选择高纯贴铋铂靶材，所述高纯贴铋铂靶材为以高纯度(高于99.99％)铂靶材作为母体，将一片高纯铋(高于99.99％)的圆片贴在铂靶表面的溅射轨道上而制成的靶材，且靶材中Bi组分在2％；
S2、将步骤1中的高纯贴铋铂靶材装在LS500型磁控溅射设备腔体靶位；
S3、采用铁磁性基片作为基底，铁磁性薄基片采用钇铁石榴石(YIG)材质基片，经过丙酮、酒精以及去离子水清洗，用氮气吹干，保证铁磁性基片表面洁净；
S4、将步骤3中铁磁性基片放入LS500型磁控溅射设备中生长Bi2Pt98合金薄膜，具体过程为：
(1)在10-5Pa量级的真空环境下，以10SCCM的氩气流量通入真空室，待气压稳定后，背底真空度为0.26Pa；
(2)在0.26Pa量级的气压环境下，打开磁控溅射电源，以20W的直流功率进行靶材的预溅射，用氩离子轰击清洗高纯贴铋铂靶材表面；
(3)打开靶材的挡板，等待以0.1转每秒的转速匀速旋转长有铋铂合金薄膜的铁磁性薄基片，到达设定的生长时间后，关闭溅射电源和靶材挡板，得到所述的合金薄膜材料。
如图1所示，为本实施例所得到的合金薄膜材料的自旋泵浦效应示意图，磁性薄膜产生自旋流注入到BiPt合金薄膜中，通过逆自旋霍尔效应产生逆自旋霍尔电压，得到合金薄膜材料的自旋霍尔角大小。测试反自旋霍尔电压(VISHE)约为21.2微伏，得到巨自旋霍尔效应的铋铂合金薄膜，该材料的自旋霍尔角度为0.24。
实施例2
巨自旋霍尔效应合金薄膜材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、选择高纯贴铋铂靶材；所述高纯贴铋铂靶材为以高纯度(高于99.99％)铂靶材作为母体，将2片高纯铋(高于99.99％)的圆片贴在铂靶表面的溅射轨道上而制成的靶材，且靶材中Bi组分在5％；
S2、将步骤1中的高纯贴铋铂靶材装在LS500型磁控溅射设备腔体靶位；
S3、采用铁磁性基片作为基底，铁磁性薄基片采用钇铁石榴石(YIG)材质基片，经过丙酮、酒精以及去离子水清洗，用氮气吹干，保证铁磁性基片表面洁净；
S4、将步骤3中铁磁性基片放入LS500型磁控溅射设备中生长Bi5Pt95合金薄膜，具体过程为：
(1)在10-5Pa量级的真空环境下，以20SCCM的氩气流量通入真空室，待气压稳定后，背底真空度为0.35Pa；
(2)在0.35Pa量级的气压环境下，打开磁控溅射电源，以35W的直流功率进行靶材的预溅射，用氩离子轰击清洗高纯贴铋铂靶材表面；
(3)打开靶材的挡板，等待以0.1转每秒的转速匀速旋转长有铋铂合金薄膜的铁磁性薄基片，到达设定的生长时间后，关闭溅射电源和靶材挡板，得到所述的合金薄膜材料。
通过自旋泵浦产生自旋流并注入到铋铂合金薄膜中，测试反自旋霍尔电压(VISHE)约为28微伏，得到巨自旋霍尔效应的铋铂合金薄膜，该材料的自旋霍尔角度为0.32。
实施例3
巨自旋霍尔效应合金薄膜材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、选择高纯贴铋铂靶材，所述高纯贴铋铂靶材为以高纯度(高于99.99％)铂靶材作为母体，将三片高纯铋(高于99.99％)的圆片贴在铂靶表面的溅射轨道上而制成的靶材，且靶材中Bi组分在8％；
S2、将步骤1中的高纯贴铋铂靶材装在LS500型磁控溅射设备腔体靶位；
S3、采用铁磁性基片作为基底，铁磁性薄基片采用钇铁石榴石(YIG)材质基片，经过丙酮、酒精以及去离子水清洗，用氮气吹干，保证铁磁性基片表面洁净；
S4、将步骤3中铁磁性基片放入LS500型磁控溅射设备中生长Bi8Pt92合金薄膜，具体过程为：
(1)在10-5Pa量级的真空环境下，以30SCCM的氩气流量通入真空室，待气压稳定后，背底真空度为0.5Pa；
(2)在0.5Pa量级的气压环境下，打开磁控溅射电源，以50W的直流功率进行靶材的预溅射，用氩离子轰击清洗高纯贴铋铂靶材表面；
(3)打开靶材的挡板，等待以0.1转每秒的转速匀速旋转长有铋铂合金薄膜的铁磁性薄基片，到达设定的生长时间后，关闭溅射电源和靶材挡板，得到所述的合金薄膜材料。
通过自旋泵浦产生自旋流并注入到铋铂合金薄膜中，测试反自旋霍尔电压(VISHE)约为25.5微伏，得到巨自旋霍尔效应的铋铂合金薄膜，该材料的自旋霍尔角度为0.29。
实施例4
巨自旋霍尔效应合金薄膜材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、选择高纯贴铋铂靶材，所述高纯贴铋铂靶材为以高纯度(高于99.99％)铂靶材作为母体，将4片高纯铋(高于99.99％)的圆片贴在铂靶表面的溅射轨道上而制成的靶材，且靶材中Bi摩尔比组分在12％；
S2、将步骤1中的高纯贴铋铂靶材装在LS500型磁控溅射设备腔体靶位；
S3、采用铁磁性基片作为基底，铁磁性薄基片采用镍铁(NiFe)材质基片，经过丙酮、酒精以及去离子水清洗，用氮气吹干，保证铁磁性基片表面洁净；
S4、将步骤3中铁磁性基片放入LS500型磁控溅射设备中生长Bi12Pt88合金薄膜，具体过程为：
(1)在10-5Pa量级的真空环境下，以12SCCM的氩气流量通入真空室，待气压稳定后，背底真空度为0.30Pa；
(2)在0.30Pa量级的气压环境下，打开磁控溅射电源，以25W的直流功率进行靶材的预溅射，用氩离子轰击清洗高纯贴铋铂靶材表面；
(3)打开靶材的挡板，等待以0.1转每秒的转速匀速旋转长有铋铂合金薄膜的铁磁性薄基片，到达设定的生长时间后，关闭溅射电源和靶材挡板，得到所述的合金薄膜材料。
通过自旋泵浦产生自旋流并注入到铋铂合金薄膜中，测试反自旋霍尔电压(VISHE)约为24.6微伏，得到巨自旋霍尔效应的铋铂合金薄膜，该材料的自旋霍尔角度为0.28。
实施例5
巨自旋霍尔效应合金薄膜材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、选择高纯贴铋铂靶材；所述高纯贴铋铂靶材为以高纯度(高于99.99％)铂靶材作为母体，将5片高纯铋(高于99.99％)的圆片贴在铂靶表面的溅射轨道上而制成的靶材，且靶材中Bi组分在15％；
S2、将步骤1中的高纯贴铋铂靶材装在LS500型磁控溅射设备腔体靶位；
S3、采用铁磁性基片作为基底，铁磁性薄基片采用钇铁石榴石(YIG)材质基片，经过丙酮、酒精以及去离子水清洗，用氮气吹干，保证铁磁性基片表面洁净；
S4、将步骤3中铁磁性基片放入LS500型磁控溅射设备中生长Bi15Pt85合金薄膜，具体过程为：
(1)在10-5Pa量级的真空环境下，以25SCCM的氩气流量通入真空室，待气压稳定后，背底真空度为0.26Pa；
(2)在0.26Pa量级的气压环境下，打开磁控溅射电源，以45W的直流功率进行靶材的预溅射，用氩离子轰击清洗高纯贴铋铂靶材表面；
(3)打开靶材的挡板，等待以0.1转每秒的转速匀速旋转长有铋铂合金薄膜的铁磁性薄基片，到达设定的生长时间后，关闭溅射电源和靶材挡板，得到所述的合金薄膜材料。
通过自旋泵浦产生自旋流并注入到铋铂合金薄膜中，测试反自旋霍尔电压(VISHE)约为22.4微伏，得到巨自旋霍尔效应的铋铂合金薄膜，该材料的自旋霍尔角度为0.25。
实施例6
巨自旋霍尔效应合金薄膜材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、选择高纯贴铋铂靶材；所述高纯贴铋铂靶材为以高纯度(高于99.99％)铂靶材作为母体，将6片高纯铋(高于99.99％)的圆片贴在铂靶表面的溅射轨道上而制成的靶材，且靶材中Bi组分在18％；
S2、将步骤1中的高纯贴铋铂靶材装在LS500型磁控溅射设备腔体靶位；
S3、采用铁磁性基片作为基底，铁磁性薄基片采用镍铁(NiFe)材质基片，经过丙酮、酒精以及去离子水清洗，用氮气吹干，保证铁磁性基片表面洁净；
S4、将步骤3中铁磁性基片放入LS500型磁控溅射设备中生长Bi18Pt82合金薄膜，具体过程为：
(1)在10-5Pa量级的真空环境下，以10SCCM的氩气流量通入真空室，待气压稳定后，背底真空度为0.5Pa；
(2)在0.5Pa量级的气压环境下，打开磁控溅射电源，以20W的直流功率进行靶材的预溅射，用氩离子轰击清洗高纯贴铋铂靶材表面；
(3)打开靶材的挡板，等待以0.1转每秒的转速匀速旋转长有铋铂合金薄膜的铁磁性薄基片，到达设定的生长时间后，关闭溅射电源和靶材挡板，得到所述的合金薄膜材料。
通过自旋泵浦产生自旋流并注入到铋铂合金薄膜中，测试反自旋霍尔电压(VISHE)约为21.3微伏，得到巨自旋霍尔效应的铋铂合金薄膜，该材料的自旋霍尔角度为0.24。
实施例7
巨自旋霍尔效应合金薄膜材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、选择铋铂合金靶材；所述铋铂合金靶材为熔融制备高纯铋铂合金靶材，且铋铂合金靶材中Bi摩尔比组分为20％；
S2、将步骤1中的铋铂合金靶材装在LS500型磁控溅射设备腔体靶位；
S3、采用铁磁性基片作为基底，铁磁性薄基片采用镍铁(NiFe)材质基片，经过丙酮、酒精以及去离子水清洗，用氮气吹干，保证铁磁性基片表面洁净；
S4、将步骤3中铁磁性基片放入LS500型磁控溅射设备中生长Bi20Pt80合金薄膜，具体过程为：
(1)在10-5Pa量级的真空环境下，以30SCCM的氩气流量通入真空室，待气压稳定后，背底真空度为0.3Pa；
(2)在0.3Pa量级的气压环境下，打开磁控溅射电源，以45W的直流功率进行靶材的预溅射，用氩离子轰击清洗铋铂合金靶材表面；
(3)打开靶材的挡板，等待以0.1转每秒的转速匀速旋转长有铋铂合金薄膜的铁磁性薄基片，到达设定的生长时间后，关闭溅射电源和靶材挡板，得到所述的合金薄膜材料。
通过自旋泵浦产生自旋流并注入到铋铂合金薄膜中，测试反自旋霍尔电压(VISHE)约为20.1微伏，得到巨自旋霍尔效应的铋铂合金薄膜，该材料的自旋霍尔角度为0.23。
实施例8
巨自旋霍尔效应合金薄膜材料的制备方法，包括如下步骤：
S1、选择铋铂合金靶材；所述铋铂合金靶材为熔融制备高纯铋铂合金靶材，且铋铂合金靶材中Bi摩尔比组分为2％；
S2、将步骤1中的铋铂合金靶材装在LS500型磁控溅射设备腔体靶位；
S3、采用铁磁性基片作为基底，铁磁性薄基片采用镍铁(NiFe)材质基片，经过丙酮、酒精以及去离子水清洗，用氮气吹干，保证铁磁性基片表面洁净；
S4、将步骤3中铁磁性基片放入LS500型磁控溅射设备中生长Bi2Pt98合金薄膜，具体过程为：
(1)在10-5Pa量级的真空环境下，以30SCCM的氩气流量通入真空室，待气压稳定后，背底真空度为0.3Pa；
(2)在0.3Pa量级的气压环境下，打开磁控溅射电源，以45W的直流功率进行靶材的预溅射，用氩离子轰击清洗铋铂合金靶材表面；
(3)打开靶材的挡板，等待以0.1转每秒的转速匀速旋转长有铋铂合金薄膜的铁磁性薄基片，到达设定的生长时间后，关闭溅射电源和靶材挡板，得到所述的合金薄膜材料。
通过自旋泵浦产生自旋流并注入到铋铂合金薄膜中，测试反自旋霍尔电压(VISHE)约为21.3微伏，得到巨自旋霍尔效应的铋铂合金薄膜，该材料的自旋霍尔角度为0.24。
对比例
采用与实施例2相同的步骤，选择高纯铂作为靶材，以钇铁石榴石(YIG)材质基片作为基片，得到薄膜材料。
使用自旋转矩铁磁共振(ST-FMR)测试的YIG(490nm)/Pt(10nm)(对比例制得的薄膜材料)和YIG(490nm)/Bi5Pt95(10nm)(实施例制得的合金薄膜材料)体系的逆自旋霍尔电压VISHE曲线；如图2所示，其中，虚线表示磁性YIG薄膜在5GHz微波脉冲激发下，磁性薄膜的自旋流进入10nm厚度的非磁性Pt中，产生的逆自旋霍尔电压，约为18.3微伏；实线表示磁性YIG薄膜在5GHz微波脉冲激发下，磁性薄膜的自旋流进入10nm厚度的非磁性Bi5Pt95合金薄膜中，产生的逆自旋霍尔电压，约为28微伏；逆自旋霍尔电压增加了51％。
实施例9
巨自旋霍尔效应合金薄膜材料，在自旋传感器中的应用，可以作为某些需要巨自旋霍尔效应的元件材料使用。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (10)

1.一种巨自旋霍尔效应合金薄膜材料，其特征在于，该材料包括
铁磁性基片，
和利用物理气相沉积技术处理在所述铁磁性基片表面的纳米厚度的铋铂合金薄膜，所述铋铂合金薄膜的组分为BixPt100-x，且x＝2-20。
2.如权利要求1所述的一种巨自旋霍尔效应合金薄膜材料，其特征在于，铁磁性基片为钇铁石榴石材质基片或镍铁材质基片。
3.如权利要求1所述的一种巨自旋霍尔效应合金薄膜材料，其特征在于，所述铋铂合金薄膜采用真空磁控溅射生长的方式处理在所述铁磁性基片表面。
4.如权利要求1所述的一种巨自旋霍尔效应合金薄膜材料，其特征在于，所述铋铂合金薄膜的厚度为1-50nm。
5.如权利要求1-4任一项所述的一种巨自旋霍尔效应合金薄膜材料，其特征在于，所述巨自旋霍尔效应合金薄膜材料包括
铁磁性基片，所述铁磁性基片采用钇铁石榴石材质基片或镍铁材质基片；
以及铋铂合金薄膜，所述铋铂合金薄膜使用铂金靶材上贴高纯铋金属薄片或者铋铂BixPt100-x靶材的方式控制铋的含量在2％-20％之间、采用真空磁控溅射生长于所述铁磁性基片表面而得到的纳米级厚度的铋铂合金薄膜。
6.制备如权利要求5所述巨自旋霍尔效应合金薄膜材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、选择高纯贴铋铂靶材或者铋铂合金靶材；
S2、将步骤S1中的高纯贴铋铂靶材或者铋铂合金靶材装在LS500型磁控溅射设备腔体靶位；
S3、采用铁磁性基片作为基底，经过丙酮、酒精以及去离子水清洗，用氮气吹干，保证铁磁性基片表面洁净；
S4、将步骤S3中铁磁性基片放入LS500型磁控溅射设备中生长BixPt100-x合金薄膜。
7.如权利要求6所述的巨自旋霍尔效应合金薄膜材料的制备方法，其特征在于，所述高纯贴铋铂靶材为以高纯度铂靶材作为母体，将至少一片高纯铋的圆片贴在铂靶表面的溅射轨道上而制成的靶材，且靶材中Bi摩尔比组分在2％-20％之间；其中，高纯度铂靶材中铂的纯度高于99.99％，高纯铋中铋的纯度高于99.99％。
8.如权利要求6所述的巨自旋霍尔效应合金薄膜材料的制备方法，其特征在于，所述铋铂合金靶材为熔融制备高纯铋铂合金靶材，且铋铂合金靶材中Bi摩尔比组分在2％-20％之间。
9.如权利要求6所述的巨自旋霍尔效应合金薄膜材料的制备方法，其特征在于，步骤S4具体过程为：
(1)在10-5Pa量级的真空环境下，以10-30SCCM的氩气流量通入真空室，待气压稳定后，背底真空度为0.26-0.5Pa；
(2)在0.26-0.5Pa量级的气压环境下，打开磁控溅射电源，以20-50W的直流功率进行靶材的预溅射，用氩离子轰击清洗高纯贴铋铂靶材或者铋铂合金靶材表面；
(3)打开靶材的挡板，等待以0.1转每秒的转速匀速旋转长有铋铂合金薄膜的铁磁性薄基片，到达设定的生长时间后，关闭溅射电源和靶材挡板，得到所述的合金薄膜材料。
10.如权利要求1-5任一项所述的巨自旋霍尔效应合金薄膜材料在自旋电子学、自旋传感器、量子计算领域的应用。
CN201710321593.5A 2017-05-09 2017-05-09 一种巨自旋霍尔效应合金薄膜材料及其制备方法和用途 Active CN107119261B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710321593.5A CN107119261B (zh) 2017-05-09 2017-05-09 一种巨自旋霍尔效应合金薄膜材料及其制备方法和用途

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710321593.5A CN107119261B (zh) 2017-05-09 2017-05-09 一种巨自旋霍尔效应合金薄膜材料及其制备方法和用途

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107119261A CN107119261A (zh) 2017-09-01
CN107119261B true CN107119261B (zh) 2019-02-05

Family

ID=59727053

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710321593.5A Active CN107119261B (zh) 2017-05-09 2017-05-09 一种巨自旋霍尔效应合金薄膜材料及其制备方法和用途

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN107119261B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113005405A (zh) * 2021-02-20 2021-06-22 浙江驰拓科技有限公司 巨自旋霍尔角合金材料及其制备方法和用途
CN113838967B (zh) * 2021-08-30 2023-04-18 电子科技大学 一种合金/磁绝缘体自旋异质结及其制备方法和应用

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101192645A (zh) * 2006-11-24 2008-06-04 中国科学院物理研究所 一种金属多层膜霍尔器件及其制备方法
CN103779495A (zh) * 2014-01-22 2014-05-07 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 基于自旋霍尔效应的磁性元件、微波振荡器及其制法
CN105280214A (zh) * 2015-09-10 2016-01-27 中国科学院物理研究所 电流驱动型磁随机存取存储器和自旋逻辑器件

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9929338B2 (en) * 2015-10-09 2018-03-27 The Regents Of The University Of California Spin current devices and methods of fabrication thereof

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101192645A (zh) * 2006-11-24 2008-06-04 中国科学院物理研究所 一种金属多层膜霍尔器件及其制备方法
CN103779495A (zh) * 2014-01-22 2014-05-07 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 基于自旋霍尔效应的磁性元件、微波振荡器及其制法
CN105280214A (zh) * 2015-09-10 2016-01-27 中国科学院物理研究所 电流驱动型磁随机存取存储器和自旋逻辑器件

Also Published As

Publication number Publication date
CN107119261A (zh) 2017-09-01

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106521440B (zh) 一种采用磁控溅射法制备高附着力镀铝膜的方法
CN110176533A (zh) 一种光响应的自旋电子器件及其制备方法
CN103233203B (zh) 一种铁磁性增强的BiFeO3薄膜的制备方法
CN103839928A (zh) 一种高耐压、低漏电、高极化强度铁酸铋薄膜及其制备方法
CN107119261B (zh) 一种巨自旋霍尔效应合金薄膜材料及其制备方法和用途
CN106521439B (zh) 一种矫顽力可调稀土-过渡合金薄膜的制备方法
CN105925937B (zh) 取向磁性薄膜的制备方法
CN108914080B (zh) 一种制备具有室温交换偏置效应锰铋合金薄膜的方法
CN113005405A (zh) 巨自旋霍尔角合金材料及其制备方法和用途
CN111235423B (zh) 室温高自旋霍尔角铂-稀土薄膜材料及其制备方法和应用
CN104805409B (zh) 采用磁控溅射‑掩模辅助沉积制备Ag纳米线阵列电极的方法
CN105845314B (zh) 具有大磁电阻效应的CoFeB/SiO2/n‑Si异质结构及制备方法
CN104914211A (zh) 一种颗粒及短棒状氧化钒薄膜的制备方法
CN102864414B (zh) 一种制备具有金字塔结构的Fe薄膜的方法
CN110777342A (zh) 一种磁致伸缩薄膜及其制备方法
CN102345104B (zh) 一种大磁电阻效应Fe-Ti-O非晶态薄膜的制备方法
CN107958765B (zh) 一种具有垂直磁各向异性的磁性薄膜材料及其制备方法
CN105441877A (zh) 电阻式热蒸发制备铁磁性材料Fe3Si薄膜的工艺
CN114335328B (zh) 金属-钛氧化物复合颗粒膜巨自旋霍尔角材料及制备方法
CN104659202A (zh) 提高隧道结薄膜磁电阻效应的制备方法
CN105304736B (zh) 磁控溅射联合快速退火技术制备Ge/Si量子点
CN111293217B (zh) 一种基于应力增强铁磁/重金属薄膜体系中电荷流-自旋流有效转换效率的方法
CN103872243A (zh) 基于氧化镁靶的磁隧道结制备方法
CN106917067A (zh) 一种调控磁性纳米环尺寸的方法
CN109972104A (zh) 一种弥补Co靶材质量缺陷的方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant