CN108735806B - 一种产生可控极化率的自旋电流的结构与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种产生可控极化率的自旋电流的结构，该结构在基板上依次设置具有等离子激元金属材料的增强光吸收层、III‑VI族硫属化物二维材料、具有铁磁金属团簇的铁磁金属层、沟道电极、BN二维材料保护层；采用激光垂直入射至该结构中，并通过III‑VI族硫属化物二维材料表面的等离子激元金属材料增强光吸收效率，激发由铁磁金属层注入到III‑VI族硫属化物二维材料的自旋极化电子的跃迁，经由与III‑VI族硫属化物二维材料连接的沟道回路产生自旋电流；并可通过控制铁磁金属团簇的形貌及尺度，控制自旋电流的极化率。
Description
技术领域
本发明涉及一种产生自旋电流的结构与方法，特别是一种利用铁磁金属调控III-VI族硫属化物二维材料电子自旋极化实现具有可控极化率的自旋电流的结构与方法。
背景技术
自旋极化电流的产生和调控对于自旋电子学实际应用而言至关重要。半导体中自旋极化电流的产生方法大致有两种：(1)利用偏振光注入法。用一束圆偏振光照射到半导体上，从价带激发电子到导带，由于空穴与电子之间的跃迁选择定则，使不同自旋取向的电子以不同概率跃迁，使导带上形成自旋极化的电子。(2)采用侧向非局域几何注入法。通过与半导体材料的界面接触将已经自旋极化的载流子从一种材料(如铁磁金属、磁性半导体或者半金属)注入到半导体材料中。相形之下，第二种方法更有利于半导体器件的集成与兼容。对于自旋注入而言，传统的铁磁材料，如铁、钴、镍，具有较高电子自旋极化率、高居里温度、易于制备等优点，成为自旋注入的方便之选。然而，当铁磁金属直接与半导体接触时，阻抗不匹配将引起自旋翻转散射，导致自旋极化度严重损失，从而极大降低了其室温自旋极化率。因而，提高自旋注入的极化率，并实现其有效调控，是产生自旋极化电流的关键问题。
III-VI族硫属化物二维材料(如硒化镓，GaSe)，的固体材料体系，由于晶体场各向异性和自旋-轨道耦合作用使轨道电子态的简并消退，强烈抑制了自旋弛豫，极大减小了自旋散射，从而具有较长自旋弛豫时间，极利于自旋极化电流的产生和输运。同时，将铁磁金属采用团簇的形式对III-VI族二维薄膜材料进行表面修饰，将凭借尺寸效应改变其金属能带结构，克服金属与半导体的电导率失配的问题，且其形貌及尺度，将显著影响团簇内部磁矩方向，并通过界面耦合方式对注入电子的自旋电极化率产生调控作用，从而为自旋极化电流源的产生及调控提供有效方案。
发明内容
本发明鉴于自旋电流源的设计需求及其自旋极化率的调控问题，提出一种基于激光激发III-VI族硫属化物二维材料与铁磁金属团簇异质结构产生可控极化率的自旋极化载流子的结构与方法，旨在实现室温自旋电流及调控其极化率。
为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种产生可控极化率的自旋电流的结构，包括在基板上设置增强光吸收层、III-VI族硫属化物二维材料、铁磁金属层、沟道电极、BN二维材料保护层；所述铁磁金属层由结构为颗粒状非周期性团簇结构或周期性团簇阵列结构的铁磁金属团簇构成；
其中增强光吸收层、III-VI族硫属化物二维材料、铁磁金属层、BN二维材料保护层由下至上依次层叠设置，所述沟道电极与铁磁金属层位于同一层，并并位于铁磁金属层的两侧。
在一较佳实施例中：所述增强光吸收层由等离子激元金属材料构成，所述等离子激元金属材料结构为颗粒状非周期性纳米结构或周期性纳米阵列结构中的一种。
在一较佳实施例中：所述颗粒状非周期性纳米结构的颗粒个体大小、颗粒状非周期性纳米结构的颗粒间距尺度均在30～600nm范围内。
在一较佳实施例中：所述周期性纳米阵列结构的周期单元结构、周期性纳米阵列结构的周期尺度均在30～600nm范围内。
在一较佳实施例中：所述III-VI族硫属化物二维材料为厚度d满足范围0<d<200nm。
在一较佳实施例中：所述铁磁金属团簇的侧向尺度为1～4μm，纵向高度为1～50nm，且团簇形貌较为一致。
在一较佳实施例中：所述铁磁金属团簇的材料为铁、钴、镍金属中的一种或几种的合金。
本发明还提供了一种使用如上所述的结构产生可控极化率的自旋电流的方法：采用激光入射至III-VI族硫属化物二维材料与铁磁金属层组成的异质结构中，并通过III-VI族硫属化物二维材料表面的等离子激元金属材料增强光吸收效率；
激光激发由铁磁金属层注入到III-VI族硫属化物二维材料的自旋极化电子的跃迁，从而经由与III-VI族硫属化物二维材料连接的沟道回路产生自旋电流；自旋电流的极化率可通过铁磁金属团簇的形貌及尺度加以调控。
在一较佳实施例中：所述激光的辐射波长为250nm～580nm，激光辐射功率为50μW～5mW。
在一较佳实施例中：所述自旋电流的产生温度T范围为0K≤T≤300K。
相较于现有技术，本发明提供了可在0K≤T≤300K温度条件下、磁场或非磁场、空气或真空环境条件中、简易有效的产生可控极化率的自旋电流的方法与结构。
附图说明
图1为本发明实施例1的原理与结构示意图。
图2为Fe热蒸发沉积时间为10秒时结构的极化发光谱。
图3为Fe热蒸发沉积时间为40秒时结构的极化发光谱。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作详细说明，但本发明保护的范围不仅限于下述实施例：
本发明所述一种产生可控极化率的自旋电流的方法与结构是基于激光激发III-VI族硫属化物二维材料与铁磁金属团簇异质结构的自旋极化载流子跃迁来产生自旋电流，并且通过控制铁磁金属团簇的形貌及尺度，调节铁磁金属团簇内部磁矩方向以及与III-VI族硫属化物二维材料的磁耦合效应，从而控制自旋电流的极化率。所述铁磁金属团簇结构可为颗粒状非周期性团簇结构，可为周期性团簇阵列结构；所述III-VI族硫属化物二维材料可选择GaSe、GaS、InSe或InS中的一种，厚度可从单分子层到小于200nm；所述铁磁金属可选择铁、钴、镍金属中的一种或几种的合金；为了增强自旋极化电流，可在III-VI族硫属化物二维材料表面采用等离子激元金属材料增强光吸收效率，所述等离子激元金属材料结构可为颗粒状非周期性纳米结构或周期性纳米阵列结构中的一种，所述颗粒状非周期性纳米结构的颗粒个体大小、颗粒状非周期性纳米结构的颗粒间距、周期性纳米阵列结构的周期单元结构、周期性纳米阵列结构的周期，尺度均可在30～600nm范围内。
实施例1：
如图1所示，本实施例结构包括：由下至上依次包含基板、Ag增强光吸收层、GaSe二维材料、Fe团簇金属层、BN二维材料保护层。沟道电极与Fe团簇金属层位于同一层，并位于Fe团簇金属层的两侧。其中Ag增强光吸收层为采用热蒸发方法在SiO2/Si基底上制备的具有150nm特征尺度的颗粒状非周期性纳米结构；GaSe二维材料为采用由机械剥离与转移技术在Ag增强光吸收层上制备的厚度大约为20nm的GaSe二维材料；Fe团簇金属层为采用热蒸发方法或磁控溅射方法在GaSe二维材料表面制备的由Fe金属构成的颗粒状非周期性团簇结构，团簇侧向尺度可为1～2μm，纵向高度可为4～28nm，且团簇形貌较为一致。
自旋电流的产生以及极化率的控制可采用如下方法：
1.通过引线连接沟道电极，与GaSe二维材料形成沟道回路；
2.选择中心波长为532nm，功率为1mW的绿光激光器，为了提高激光的单色性，确保实验的可靠性与准确性，在激光前放置一片532±2nm的滤光片。经滤光片后的激光直接垂直入射于异质结构表面，激发电子经由沟道回路产生自旋电流；
通过极化发光谱测试方法，测试自旋电流极化率的控制。可以观察到，单纯GaSe二维薄膜未沉积Fe金属时无自旋极化；Fe金属沉积时间为10s时，自旋极化率约为9％(如图2所示)；Fe金属沉积时间为40s时，自旋极化率约为24％(如图3所示)，由此证明，通过精确控制Fe金属团簇尺度与覆盖度，可实现自旋电流极化率的产生和调控。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种产生可控极化率的自旋电流的结构，其特征在于：在基板上设置增强光吸收层、III-VI族硫属化物二维材料、铁磁金属层、沟道电极、BN二维材料保护层；所述铁磁金属层由结构为颗粒状非周期性团簇结构或周期性团簇阵列结构的铁磁金属团簇构成；
其中增强光吸收层、III-VI族硫属化物二维材料、铁磁金属层、BN二维材料保护层由下至上依次层叠设置，所述沟道电极与铁磁金属层位于同一层，并位于铁磁金属层的两侧；
所述III-VI族硫属化物二维材料为GaSe。
2.根据权利要求1所述的一种产生可控极化率的自旋电流的结构，其特征在于：所述增强光吸收层由等离子激元金属材料构成，所述等离子激元金属材料结构为颗粒状非周期性纳米结构或周期性纳米阵列结构中的一种。
3.如权利要求2所述的一种产生可控极化率的自旋电流的结构，其特征在于：所述颗粒状非周期性纳米结构的颗粒个体大小、颗粒状非周期性纳米结构的颗粒间距尺度均在30～600nm范围内。
4.如权利要求2所述的一种产生可控极化率的自旋电流的结构，其特征在于：所述周期性纳米阵列结构的周期单元结构、周期性纳米阵列结构的周期尺度均在30～600nm范围内。
5.如权利要求1所述的一种产生可控极化率的自旋电流的结构，其特征在于：所述III-VI族硫属化物二维材料为厚度d满足范围0<d<200nm。
6.如权利要求1所述的一种产生可控极化率的自旋电流的结构，其特征在于：所述铁磁金属团簇的侧向尺度为1～4μm，纵向高度为1～50nm，且团簇形貌较为一致。
7.如权利要求1所述的一种产生可控极化率的自旋电流的结构，其特征在于：所述铁磁金属团簇的材料为铁、钴、镍金属中的一种或几种的合金。
8.一种使用权利要求1-7中任一项结构产生可控极化率的自旋电流的方法，其特征在于：采用激光入射至III-VI族硫属化物二维材料与铁磁金属层组成的异质结构中，并通过III-VI族硫属化物二维材料表面的等离子激元金属材料增强光吸收效率；
激光激发由铁磁金属层注入到III-VI族硫属化物二维材料的自旋极化电子的跃迁，从而经由与III-VI族硫属化物二维材料连接的沟道回路产生自旋电流；自旋电流的极化率可通过铁磁金属团簇的形貌及尺度加以调控。
9.如权利要求8所述的一种产生可控极化率的自旋电流的方法，其特征在于：所述激光的辐射波长为250nm～580nm，激光辐射功率为50μW～5mW。
10.如权利要求8所述的一种产生可控极化率的自旋电流的方法，其特征在于：所述自旋电流的产生温度T范围为0K≤T≤300K。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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