CN108767107B - 一种电场调控的二维自旋电子器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种电场调控的二维自旋电子器件及其制备方法，涉及自旋电流的产生和极化率的电场调控。器件结构包括第一BN二维材料/掺杂铁磁金属的III‑VI族硫属化物二维材料/第二BN二维材料的三明治结构、与第一BN二维材料和第二BN二维材料连接的透明电极，以及与III‑VI族硫属化物二维材料连接的沟道电极。铁磁金属掺杂在III‑VI族硫属化物二维材料的晶格替位或间隙位，使III‑VI族硫属化物二维材料的电子出现自旋极化；自旋极化的电子在入射激光激发下经由沟道回路产生自旋电流，通过外加垂直电场调节掺杂铁磁金属的III‑VI族硫属化物二维材料的磁结构在铁磁耦合与反铁磁耦合之间转变，从而可在0～100％范围内调控自旋电流的极化率，构成极化率电可控的二维自旋电子器件。
Description
技术领域
本发明涉及自旋电子器件及其制备方法，尤其是一种电场调控的掺杂铁磁金属的III-VI族硫属化物二维材料的自旋电子器件及其制备方法。
背景技术
自旋电子学利用电子自旋而非传统的电子电荷为基础，探讨研发新一代电子产品的可能性。自旋电子器件具有非易失、数据处理速度快、集成密度高和低功耗等方面的优势等，成为电子器件的一个发展趋势。产生自旋电流的方法主要有基于自旋霍尔效应的电注入法，利用铁磁电极的侧向非局域几何注入法和利用偏振光照射的光注入法：(1)基于自旋霍尔效应的电注入法。自旋霍尔效应提供了一种方便有效的产生自旋电流的方法，当系统加上一个外电场时，由于自旋轨道耦合作用，一个顺磁体系可以产生垂直于电场的自旋电流；(2)利用铁磁电极的侧向非局域几何注入法。通过铁磁金属作为电极，与半导体材料的界面接触引入极化电子，在电场的驱动下将铁磁金属中的自旋极化电流引入到半导体材料中。由于铁磁金属与半导体的电阻失配率较高，以及铁磁金属本身自旋极化率较低，导致注入的效率较低。(3)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。虽然光学方法在高速调制方面优于电学方法，但上述偏振光注入法仍存在室温下自旋极化率不高等弊端。制造与自旋有关的电子器件，最关键的问题仍是需要强磁场或低温下产生自旋电流。
发明内容
本发明鉴于自旋电子器件的设计需求及极化率的调控问题，提出一种基于掺杂铁磁金属的III-VI族硫属化物二维材料的电场调控的二维自旋电子器件及其制备方法，该器件采用电学调控的方式，可解决需要强磁场或低温条件下产生自旋电流的问题。
一种电场调控的二维自旋电子器件，包括第一BN二维材料/掺杂铁磁金属的III-VI族硫属化物二维材料/第二BN二维材料的三明治结构、分别与第一BN二维材料和第二BN二维材料连接的第一透明电极和第二透明电极，以及与掺杂铁磁金属的III-VI族硫属化物二维材料连接的沟道电极；所述掺杂铁磁金属的III-VI族硫属化物二维材料是在III-VI族硫属化物二维材料的晶格替位或间隙位掺杂铁磁金属以实现电子自旋极化。
可选的，所述第一BN二维材料和第二BN二维材料的厚度为1～5分子层。
可选的，所述第一透明电极和第二透明电极材料同时为石墨烯二维材料、ITO、AZO中的一种。
可选的，所述掺杂铁磁金属的III-VI族硫属化物二维材料的厚度为从单分子层到小于10nm。
可选的，所述掺杂铁磁金属的III-VI族硫属化物二维材料化学式为M1-zTzX，其中M＝Ga、In，X＝S、Se，T＝Fe、Co、Ni中的一种或几种或它们的合金，其中0.10>z>0。
可选的，所述沟道电极材料为石墨烯二维材料、Au、Ti/Au、Ni/Au、Cr/Au中的一种。
可选的，所述掺杂铁磁金属的III-VI族硫属化物二维材料其中铁磁金属掺杂量小于10％。
上述二维自旋电子器件的电场调控方法，是将激光垂直入射器件，激发电子经由沟道回路产生自旋电流；通过第一透明电极和第二透明电极向第一BN二维材料/掺杂铁磁金属的III-VI族硫属化物二维材料/第二BN二维材料的三明治结构施加垂直电压产生垂直电场，通过调控电压调节掺杂铁磁金属的III-VI族硫属化物二维材料的磁耦合和电子自旋极化，从而调控自旋电流的极化率。
可选的，所述垂直电场对二维自旋电子器件自旋电流的调控范围为0～100％。
可选的，所述垂直电压的范围为
可选的，温度条件T范围为0K≤T≤300K，环境为空气环境或真空环境。
可选的，所述激光波长为300nm～580nm，入射激光功率为50μW～5mW。
本发明提供了上述技术方案所述电场调控的二维自旋电子器件的制备方法，包括以下步骤：
1)首先在基片上制备第一透明电极并打上引线，然后采用转移技术将生长在铜箔上的BN二维材料转移至第一透明电极表面，可重复转移过程使BN二维材料厚度为1～5分子层，构成第一BN二维材料；
2)采用分子束外延方法，通过控制生长源的温度、生长时间和载气流量，在第一BN二维材料表面生长小于10nm厚的III-VI族硫属化物二维材料，并在生长过程中原位将铁磁金属掺入III-VI族硫属化物二维材料的晶格替位或间隙位；通过自制挡板回路，控制掺杂浓度，制备掺杂小于10％铁磁金属的III-VI族硫属化物二维材料，制备完成后，取出样品并立即放置于氮气环境中保护以防止氧化；
3)采用电子束光刻方法在掺杂铁磁金属的III-VI族硫属化物二维材料表面制备沟道电极并上打引线；
4)采用步骤1)所述转移技术将生长在铜箔上的BN二维材料转移至III-VI族硫属化物二维材料表面，可重复转移过程使BN二维材料厚度为1～5分子层，构成第二BN二维材料，然后在第二BN二维材料表面上制备第二透明电极并打上引线；
5)连接沟道电极形成回路，将一束激光垂直入射器件，激发电子经由沟道回路产生自旋电流；通过第一透明电极和第二透明电极向第一BN二维材料/掺杂铁磁金属的III-VI族硫属化物二维材料/第二BN二维材料的三明治结构施加一个
的垂直方向电压，调节掺杂铁磁金属的III-VI族硫属化物二维材料的磁耦合和电子自旋极化，从而调控自旋电流的极化率。
在步骤1)中，所述基片优选采用Si片、SiO2/Si片、云母片、石英片、蓝宝石中的一种；所述转移技术具体步骤为：在生长于铜箔上的BN二维材料表面旋涂一层PMMA，待PMMA固化后，用(NH4)2S2O8溶液将铜箔溶解，将带有BN二维材料的PMMA转移到第一透明电极表面，再将转移了BN二维材料的基片浸泡于丙酮中数小时，以彻底溶解PMMA；
在步骤2)中，所述制备掺杂铁磁金属的III-VI族硫属化物二维材料具体步骤为：将基片放置于分子束外延系统的真空腔中，腔内放置高纯度的M、X生长源以及铁磁金属掺杂源，用机械泵将生长腔内气压抽至10-3torr以下，再开启分子泵抽至10-6torr以下，然后开启钛泵抽至10-9torr，分别加热高纯度的M源和X源到蒸发温度进行生长，其中X源与M源浓度的比率为10：1；生长过程保持基片温度为室温；所述原位铁磁金属掺杂具体步骤为：在分子束外延生长III-VI族硫属化物二维材料过程中，同时将铁磁金属加热至熔点附近温度，铁磁金属热蒸发至基片上从而掺杂于III-VI族硫属化物二维材料的替位或间隙位，在实验中可通过调节自制挡板回路的开关时间控制掺杂铁磁金属的浓度；所述自制挡板回路，为一个边长2～5cm的正方形不锈钢片，中间有个同心且半径为0.1～0.15cm圆形孔，圆形孔上覆盖着半径为0.2～0.3cm的圆形不锈钢挡板，圆形不锈钢挡板四根不锈钢弹簧连接到正方形不锈钢片的四个角边沿，通过弹簧回路以及控制程序来调节圆形不锈钢挡板的位置，从而控制圆形孔的开关以精确控制铁磁金属的掺杂浓度。
在步骤3)中，所述电子束光刻方法具体步骤为：在掺杂铁磁金属的III-VI族硫属化物二维材料上旋涂液态HMDS作为粘附层，用于有效粘结光刻胶和基片；之后旋涂PMMA光刻胶并烘干；接着进行电子束光刻，曝光PMMA光刻胶，曝光后用显影液显影、定影吹干，得到设计的电极图形；对曝光好的具有电极图形的基片蒸发Cr/Au金属，完成后用丙酮剥离光刻胶，消除残留的光刻胶和金属，然后在电极上焊接引线。
本发明的有益效果为：
1)在III-VI族硫属化物二维材料中掺杂不同浓度的铁磁金属以产生磁性，通过外加垂直电场调节掺杂铁磁金属的III-VI族硫属化物二维材料的磁结构在铁磁耦合与反铁磁耦合之间转变，从而调控自旋电流的极化率，使器件在激光入射下激发产生电可控的自旋电流现象。该器件可在液氦低温到室温，空气环境或真空环境中，采用电学方式，在0～100％范围内调控自旋电流的极化率，解决需要在强磁场和低温条件下产生与调控自旋电流的问题。
2)可通过控制生长源的温度、生长时间和载气流量来生长薄层III-VI族硫属化物二维材料，并且通过自制挡板回路精确控制铁磁金属原子的掺杂浓度，可控性强，适于实际应用。
附图说明
图1电场调控的二维自旋电子器件结构示意图。
图2自制档板回路结构示意图。
图3电场为0和
下2.8％Fe掺杂的单分子层GaSe二维材料自旋电荷密度图。
图4电场为0和下2.8％Fe掺杂的单分子层GaSe二维材料电子态密度图。
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。
参考图1，本发明的器件结构包括第一BN二维材料/掺杂铁磁金属的III-VI族硫属化物二维材料/第二BN二维材料的三明治结构、分别与第一BN二维材料和第二BN二维材料连接的第一透明电极和第二透明电极，以及与掺杂铁磁金属的III-VI族硫属化物二维材料连接的沟道电极。以下以掺杂Fe的单分子层GaSe二维材料、第一石墨烯透明电极和第二石墨烯透明电极，以及Cr/Au沟道电极为例，其中第一和第二BN二维材料的厚度为5分子层，掺杂Fe的单分子层GaSe二维材料厚度为单分子层，Fe原子掺入单分子层GaSe二维材料的晶格替位，掺杂浓度为2.8％，第一和第二石墨烯透明电极的厚度为5分子层。
其制备方法包含以下步骤：
1、首先，采用转移技术在SiO2/Si基片上制备第一石墨烯透明电极。
1)通过化学清洗(使用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗)获得清洁的SiO2/Si基片；
2)取一小片生长在铜箔上的单分子层石墨烯样品，在石墨烯表面旋涂一层PMMA；待PMMA固化后，用(NH4)2S2O8溶液(～1mol/L)将铜箔溶解；
3)将带有石墨烯的PMMA转移到基片表面，待残留液体晾干后，将基片放置于加热台上，在120℃下加热1小时使石墨烯与基片更紧密接触；
4)将转移了石墨烯的基片浸泡于丙酮中数小时，以彻底溶解PMMA；
5)重复以上步骤2～4，转移5分子层石墨烯，构成第一石墨烯透明电极，并利用引线机打上引线。
2、然后采用步骤1所述转移技术在第一石墨烯透明电极上制备第一BN二维材料。
3、接着采用分子束外延法在第一BN二维材料上生长掺杂Fe的单分子层GaSe二维材料。
1)将制备了石墨烯透明电极和第一BN二维材料的基片放置于分子束外延系统的真空腔中，先用机械泵将生长腔气压抽至10-3torr以下，然后开启分子泵抽至10-6torr以下，并对基片进行200℃退火处理以去除转移过程中的残留杂质；；
2)开启钛泵将气压抽至10-9torr，将99.999％的高纯Ga源和Se源分别加热至200℃和350℃，以使Ga源和Se源的蒸发速率为10：1；
3)同时将Fe金属掺杂源加热至1350℃附近温度并稳定2分钟，Fe金属掺杂源上方遮盖一边长3cm的正方形不锈钢片1，不锈钢片1中间有个同心且半径为0.1cm圆形孔11，圆形孔11上覆盖着半径为0.2cm的圆形不锈钢挡板2，圆形不锈钢挡板2通过四根不锈钢弹簧3连接到正方形不锈钢片1的四个角边沿，生长过程中通过弹簧回路以及控制程序来调节圆形不锈钢挡板2的位置(如图2所示)，从而控制圆形孔11的开关以精确控制Fe的掺杂浓度为2.8％，生长完成后取出基片。
4、接着采用电子束光刻方法在在掺杂Fe的单分子层GaSe二维材料表面制备沟道电极及引线。
1)在掺杂Fe的单分子层GaSe二维材料上旋涂液态HMDS作为粘附层；
2)在HMDS粘附层上旋涂PMMA光刻胶并烘干；
3)进行电子束光刻，曝光PMMA光刻胶；
4)对曝光后的PMMA光刻胶用显影液显影、定影吹干，得到设计的电极图形；
5)对曝光好的具有电极图形的基片蒸发Cr/Au金属；
6)用丙酮剥离光刻胶，去除残留的光刻胶和Cr/Au金属，然后在电极上焊接引线。
5、之后采用步骤1所述转移技术在掺杂Fe的单分子层GaSe二维材料上制备第二BN二维材料。
6、进而采用步骤1所述转移技术在第二BN二维材料上制备第二石墨烯透明电极，从而构成二维自旋电子器件(如图1所示)。
上述电子器件的自旋电流极化率的电调控方法为：
1)通过引线连接沟道电极，与掺杂Fe的单分子层GaSe二维材料形成沟道回路；
2)选择中心波长为488nm，功率为2mW的蓝光激光器，为了提高激光的单色性，在激光前放置一片488±2nm的滤光片，经滤光片后的激光直接垂直入射于二维自旋电子器件表面，激发电子经由沟道回路产生自旋电流；经理论计算预测，此时掺杂的Fe原子与单分子层GaSe二维材料形成铁磁耦合(如图3所示)，自旋电流的极化率接近于0(如图4所示)；
3)通过第一石墨烯透明电极和第二石墨烯透明电极对器件分别施加
和
的垂直电压；经理论计算预测，当对器件施加
的垂直电压时，掺杂的Fe原子与单分子层GaSe二维材料形成反铁磁耦合(如图3所示)，自旋电流极化率增大到为90％(如图4所示)；当对器件施加反向的
的垂直电压时，掺杂的Fe原子与单分子层GaSe二维材料形成铁磁耦合(如图3所示)，自旋电流极化率可高达100％(如图4所示)，由此证明，通过精确控制掺杂Fe的浓度和垂直电场强度，可以实现自旋电流的产生以及0～100％的极化率调控。
前面提供了对较佳实施例的描述，对这些实施例的各种修改对本领域内的技术人员是显而易见的，以使本领域内的任何技术人员可使用或利用本发明。
Claims (16)
1.一种电场调控的二维自旋电子器件，其特征在于：包括第一BN二维材料/掺杂铁磁金属的III-VI族硫属化物二维材料/第二BN二维材料的三明治结构、分别与第一BN二维材料和第二BN二维材料连接的第一透明电极和第二透明电极，以及与掺杂铁磁金属的III-VI族硫属化物二维材料连接的沟道电极；所述掺杂铁磁金属的III-VI族硫属化物二维材料化学式为M1-zTzX，其中M＝Ga、In，X＝S、Se，T＝Fe、Co、Ni中的一种或几种或它们的合金，其中0.10>z>0；所述掺杂铁磁金属的III-VI族硫属化物二维材料是在III-VI族硫属化物二维材料的晶格替位或间隙位掺杂铁磁金属以实现电子自旋极化。
2.根据权利要求1所述电场调控的二维自旋电子器件，其特征在于：所述第一BN二维材料和第二BN二维材料的厚度为1～5分子层。
3.根据权利要求1所述电场调控的二维自旋电子器件，其特征在于：所述第一透明电极和第二透明电极材料同时为石墨烯二维材料、ITO、AZO中的一种。
4.根据权利要求1所述电场调控的二维自旋电子器件，其特征在于：所述掺杂铁磁金属的III-VI族硫属化物二维材料的厚度为从单分子层到小于10nm。
5.根据权利要求1所述电场调控的二维自旋电子器件，其特征在于：所述沟道电极材料为石墨烯二维材料、Au、Ti/Au叠层、Ni/Au叠层、Cr/Au叠层中的一种。
6.根据权利要求1所述电场调控的二维自旋电子器件，其特征在于：所述掺杂铁磁金属的III-VI族硫属化物二维材料其中铁磁金属掺杂量小于10％。
7.权利要求1～6任一项所述二维自旋电子器件的电场调控方法，其特征在于：将激光垂直入射器件，激发电子经由沟道回路产生自旋电流；通过第一透明电极和第二透明电极向第一BN二维材料/掺杂铁磁金属的III-VI族硫属化物二维材料/第二BN二维材料的三明治结构施加垂直电压产生垂直电场，通过调控电压调节掺杂铁磁金属的III-VI族硫属化物二维材料的磁耦合和电子自旋极化，从而调控自旋电流的极化率。
8.根据权利要求7所述电场调控方法，其特征在于：所述垂直电场对二维自旋电子器件自旋电流极化率的调控范围为0～100％。
9.根据权利要求7所述电场调控方法，其特征在于：所述垂直电压的范围为 
10.根据权利要求7所述电场调控方法，其特征在于：温度条件T范围为0K≤T≤300K，环境为空气环境或真空环境。
11.根据权利要求7所述电场调控方法，其特征在于：所述激光的波长为300nm～580nm，所述激光的功率为50μW～5mW。
12.一种电场调控的二维自旋电子器件的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)在基片上制备第一透明电极及引线，然后采用转移技术将生长在铜箔上的BN二维材料转移至第一透明电极表面，重复转移过程使BN二维材料厚度为1～5分子层，构成第一BN二维材料；
2)采用分子束外延方法在第一BN二维材料表面生长III-VI族硫属化物二维材料；在生长过程中进行原位铁磁金属掺杂，将铁磁金属掺入III-VI族硫属化物二维材料的晶格替位或间隙位，形成化学式为M1-zTzX的掺杂铁磁金属的III-VI族硫属化物二维材料，其中M＝Ga、In，X＝S、Se，T＝Fe、Co、Ni中的一种或几种或它们的合金，其中0.10>z>0；制备完成后立即放置于氮气氛围中；
3)采用电子束光刻方法在掺杂铁磁金属的III-VI族硫属化物二维材料表面制备沟道电极并打上引线；
4)采用转移技术将生长在铜箔上的BN二维材料转移至III-VI族硫属化物二维材料表面，重复转移过程使BN二维材料厚度为1～5分子层，构成第二BN二维材料，然后在第二BN二维材料表面上制备第二透明电极及引线；
5)连接沟道电极形成回路。
13.根据权利要求12所述电场调控的二维自旋电子器件的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述基片采用Si片、叠层结构的SiO2/Si片、云母片、石英片、蓝宝石中的一种。
14.根据权利要求12所述电场调控的二维自旋电子器件的制备方法，其特征在于：步骤2)中，所述分子束外延方法具体步骤为：将基片放置于真空腔中，将腔内气压抽至10-9torr以下，分别加热高纯M源和X源到蒸发温度进行生长，其中X源与M源浓度的比率为10：1；生长过程保持基片温度为室温；所述M＝Ga、In，X＝S、Se。
15.根据权利要求12所述电场调控的二维自旋电子器件的制备方法，其特征在于：步骤2)中，所述原位铁磁金属掺杂的具体步骤为：在真空腔内放置一个直流加热灯丝，灯丝上挂载铁磁金属源，在分子束外延生长III-VI族硫属化物二维材料过程中，同时将铁磁金属加热至熔点附近温度；铁磁金属热蒸发至基片上从而掺杂于III-VI族硫属化物二维材料的替位或间隙位，通过调节挡板回路的开关时间来控制掺杂铁磁金属的浓度。
16.根据权利要求15所述电场调控的二维自旋电子器件的制备方法，其特征在于：所述挡板回路，为一个边长2～5cm的正方形不锈钢片，中间有个同心且半径为0.1～0.15cm的圆形孔，圆形孔上覆盖着半径为0.2～0.3cm的圆形不锈钢挡板，圆形不锈钢挡板由四根不锈钢弹簧连接到正方形不锈钢片的四个角边沿，通过弹簧回路以及控制程序来调节圆形不锈钢挡板的位置，从而控制圆形孔的开关。
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