CN109524459B - 基于三碘化铬的极化方向可控的自旋电流过滤器 - Google Patents
基于三碘化铬的极化方向可控的自旋电流过滤器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种基于三碘化铬的极化方向可控的自旋电流过滤器，包括：三碘化铬磁性膜、压电晶体和电源；电源的正极与压电晶体在垂直于电场方向上的一侧相连，电源的负极与压电晶体在垂直于电场方向上的另一侧相连；三碘化铬磁性膜在第一方向上的一边固定，三碘化铬磁性膜在第一方向上的另一边与压电晶体在垂直于形变方向上的一侧固定连接；三碘化铬磁性膜在第二方向上的边用于通过待自旋过滤的电流，第一方向和第二方向组成的平面与三碘化铬磁性膜的膜厚度方向垂直。该自旋电流过滤器通过压电晶体拉伸CrI3薄膜，将经过CrI3薄膜的非自旋极化的电流过滤成只有一个方向的自旋极化的电流，同时还可以控制输出电流的自旋极化方向。
Description
技术领域
本发明涉及自旋电子技术领域，特别涉及一种基于三碘化铬的极化方向可控的自旋电流过滤器。
背景技术
电子由多个本征值进行表征，特别地由电子的角动量或“自旋”进行表征。由于原子尺度下的测不准原理，电子的自旋仅能够沿着一个可观察量或方向进行测量，并且电子自旋的值能够是正的或者负的。这些态分别被称为“自旋向上”和“自旋向下”，利用电子自旋的量子自旋特性可以存储信息。
自旋过滤器是指将自旋向上(或自旋向下)的电子滤掉，使其只剩下自旋向下(或自旋向上)的电子的一种器件，比较简单且常用的方式是直接将一定强度的磁场施加到各种材料中(例如半导体异质结、量子阱等)，使电子发生自旋极化，从而达到自旋过滤的目的。现有的自旋过滤器虽然可以实现自旋过滤，但是并不能调控自旋电流的自旋方向。
发明内容
本发明提供一种基于三碘化铬的极化方向可控的自旋电流过滤器，用以解决现有自旋过滤器不能调控自旋电流自旋方向的缺陷。
本发明实施例提供的一种基于三碘化铬的极化方向可控的自旋电流过滤器，包括：三碘化铬磁性膜、压电晶体和电源；
所述电源的正极与所述压电晶体在垂直于电场方向上的一侧相连，所述电源的负极与所述压电晶体在垂直于电场方向上的另一侧相连；
所述三碘化铬磁性膜在第一方向上的一边固定，所述三碘化铬磁性膜在第一方向上的另一边与所述压电晶体在垂直于形变方向上的一侧固定连接；所述三碘化铬磁性膜在第二方向上的边用于通过待自旋过滤的电流，所述第一方向和所述第二方向组成的平面与所述三碘化铬磁性膜的膜厚度方向垂直。
在一种可能的实现方式中，所述三碘化铬磁性膜为单层膜。
在一种可能的实现方式中，所述第一方向与所述第二方向垂直。
在一种可能的实现方式中，所述压电晶体在垂直于形变方向上的另一侧固定。
在一种可能的实现方式中，该自旋电流过滤器还包括：开关；
所述电源的正极通过所述开关与所述压电晶体在垂直于电场方向上的一侧相连；或
所述电源的负极通过所述开关与所述压电晶体在垂直于电场方向上的另一侧相连。
本发明实施例提供的一种基于三碘化铬的极化方向可控的自旋电流过滤器，利用三碘化铬磁性膜晶格常数变大时三碘化铬的磁各向异性发生变化、磁矩由垂直于膜面的方向转为平行于膜面的特性，以及压电晶体上电收缩的特性，通过压电晶体拉伸CrI3薄膜，将经过CrI3薄膜的非自旋极化的电流过滤成只有一个方向的自旋极化的电流，同时由于拉伸后CrI3薄膜的磁矩方向是确定，进而可以将任意输入电流调整为沿CrI3薄膜磁矩方向的自旋电流，从而实现控制输出电流的自旋极化方向。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明实施例中自旋电流过滤器的第一结构示意图；
图2为本发明实施例中单层CrI3原子结构的主视图；
图3为本发明实施例中单层CrI3原子结构的侧视图；
图4为本发明实施例中随着面内晶格常数和电荷注入量变化的CrI3磁相图；
图5为本发明实施例中CrI3单层膜的尼尔型反铁磁相的磁序示意图；
图6为本发明实施例中CrI3单层膜的铁磁相的磁序示意图；
图7为本发明实施例中自旋电流过滤器的第二结构示意图；
图8为本发明实施例中自旋电流过滤器的第三结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供的一种基于三碘化铬的极化方向可控的自旋电流过滤器，参见图1所示，包括：三碘化铬磁性膜10、压电晶体20和电源30。
电源30的正极与压电晶体20在垂直于电场方向上的一侧相连，电源30的负极与压电晶体20在垂直于电场方向上的另一侧相连。
三碘化铬磁性膜10在第一方向上的一边固定，三碘化铬磁性膜10在第一方向上的另一边与压电晶体20在垂直于形变方向上的一侧固定连接；三碘化铬磁性膜10在第二方向上的边用于通过待自旋过滤的电流，第一方向和第二方向组成的平面与三碘化铬磁性膜10的膜厚度方向垂直。
参见图1所示，该自旋电流过滤器放置于三维空间中，三维坐标系xyz中的x轴表示图1的上下方向，y轴表示左右方向，z轴表示前后方向。其中，压电晶体的电场方向为z轴方向，形变方向为x轴方向，当压电晶体的电场方向施加电压后，压电晶体在形变方向上会发生形变(收缩)。具体的，电源30的正极与压电晶体20在垂直于电场方向(z轴)上的一侧面(即与xoy面平行的一个侧面，图1中压电晶体的前面)相连，负极与垂直于电场方向(z轴)上的另一侧面(即与xoy面平行的另一个侧面，图1中压电晶体的后面)相连，从而使得电源30可以在电场方向上为压电晶体20提供电压。同时，三碘化铬磁性膜10在第一方向(y轴方向)上的一边(即平行于y轴的一边，图1中CrI3膜的上边)固定，三碘化铬磁性膜10在第一方向(y轴方向)上的另一边(即平行于y轴的一边，图1中CrI3膜的下边)与压电晶体20在垂直于形变方向(x轴)上的一侧面(即与yoz面平行的一个侧面，对应图1中压电晶体的上面)固定连接。此时，当电源30在电场方向上为压电晶体20提供电压后，则压电晶体20在形变方向上发生收缩，从而使得压电晶体20可以在形变方向(x轴)上拉伸三碘化铬磁性膜10。一般情况下，压电晶体的电场方向为压电晶体的极化方向，具体如何摆放压电晶体根据实际情况而定，只需要可以实现电场方向施加电压使得形变方向上收缩即可。压电晶体可以采用压电陶瓷或石英晶体等。
CrI3(三碘化铬)是一种新型的磁性单层膜材料，单层CrI3原子结构参见图2和图3所示，CrI3的居里温度为45K二维材料。通常来说，由于Mermin-Wagner定理，二维体系中由于涨落效应，难以形成长程磁序。但在CrI3中，重I-离子的自旋轨道耦合效应打破了Su(2)对称性，因此产生磁序。实验中已能够成功制备CrI3这种二维铁磁材料。计算中，CrI3的二维杨氏模量为28N/m，比石墨烯的杨氏模量(340N/m)小一个量级，这意味着CrI3容易被拉伸或压缩。
鉴于单层CrI3材料极软，容易形成拉应变和压应变，在实验中发现应变可以显著改变磁性Cr离子的自旋，使之在不同的磁有序相之间转变。图4是计算得到的CrI3在应变下的磁相图，横坐标表示晶格常数，纵坐标表示电荷量。平衡状态下CrI3的面内晶格常数为最稳定的磁相为铁磁相(FM)，磁矩垂直于CrI3单层膜的平面(off-plane)。当施以压应变使CrI3的晶格常数小于时，单层CrI3由铁磁相变为尼尔型反铁磁相(Néel AFM)，参见图5所示，磁矩平行于CrI3单层膜的平面(in-plane)。而当施加拉应变使晶格常数大于时，CrI3的磁各向异性能发生变化，磁矩由垂直于平面的方向转为平行于膜的平面，参见图6所示。
本发明实施例中，利用应变下的CrI3磁相图设计该自旋电流过滤器。如上所述，在压电晶体20电场方向的两侧加一电场，即在z方向加电场，可以使压电晶体20在x方向收缩，从而压电晶体拉扯CrI3膜(三碘化铬磁性膜10)，使CrI3膜受到面内的拉应力发生形变，CrI3膜的晶格常数增大。因此，CrI3膜的磁序可由垂直于膜面的铁磁序转为平行于膜面的铁磁序，即CrI3里的磁矩由z方向转到x方向(或y方向，图1中以x方向为例)。此时在CrI3第二方向(x轴方向)上的两端(即CrI3膜的左边和右边)加上电极，例如石墨烯电极，通以电流，当电流中电子的自旋与CrI3中Cr的磁矩发生相互作用，就可以输出单一自旋态的电流，自旋电流的自旋方向是沿着CrI3磁矩方向的。
具体的，参见图1所示，CrI3薄膜10左侧的电流具有相等数量的自旋向上和自旋向下的电子，自旋向上和向下不是指空间中的实际方向，只是代表两种自旋通道，而电流中电子具体的自旋极化方向是不确定的。一般的自旋过滤器只能将两个自旋通道的电子过滤为特定极化方向的单一自旋通道的自旋电流，但是并不能调制或改变这一极化方向。本发明实施例中，若CrI3未发生形变时,CrI3膜的磁矩方向为垂直于膜面的方向,经过CrI3薄膜过滤后的电流即为自旋方向平行于z轴方向的自旋电流；由于压电晶体拉扯CrI3膜，使得CrI3膜的磁矩方向为平行于膜面的方向，即CrI3里的磁矩方向为x方向(或y方向，图1中以x方向为例)，磁矩的具体方向由该CrI3薄膜的固有特性决定；此时经过CrI3薄膜过滤后的电流即为自旋方向平行于x轴方向(或y轴方向)的自旋电流。综上，只要通过给压电晶体施加电场，使CrI3膜发生拉应变，使CrI3薄膜的磁矩方向平行于膜面，从而可以控制输出电流的自旋极化方向。
本发明实施例中，在垂直于三碘化铬磁性膜的方向上不对三碘化铬磁性膜进行处理，即第一方向和第二方向均与三碘化铬磁性膜的膜厚度方向垂直，该膜厚度方向为垂直于薄膜的方向，即图1中的z轴方向；或者说，第一方向和第二方向组成的平面与三碘化铬磁性膜的膜厚度方向垂直。同时，可选的，第一方向与第二方向垂直。
本发明实施例提供的一种基于三碘化铬的极化方向可控的自旋电流过滤器，利用三碘化铬磁性膜晶格常数变大时三碘化铬的磁各向异性发生变化、磁矩由垂直于膜面的方向转为平行于膜面的特性，以及压电晶体上电收缩的特性，通过压电晶体拉伸CrI3薄膜，可以将任意输入电流调整为沿CrI3薄膜磁矩方向的自旋电流，进而将经过CrI3薄膜的非自旋极化的电流过滤成可控制自旋极化方向的自旋电流。
在上述实施例的基础上，三碘化铬磁性膜10为单层膜。本发明实施例中，三碘化铬磁性膜10可以是多层膜，也可以是单层膜；当三碘化铬磁性膜10为单层膜时更易被拉伸。
在上述实施例的基础上，压电晶体20在垂直于形变方向上的另一侧固定。一般情况下，压电晶体20可采用现有的压电晶体，压电晶体可以设有用于固定的底座，使得压电晶体本体保持位置不变，在发生形变时只是使得垂直于形变方向的面(图1中压电晶体的上面和下面)发生位移。本发明实施例中，将压电晶体20在垂直于形变方向上的另一侧(图1中压电晶体的下面)固定，从而使得在发生收缩时可以最大程度地拉伸CrI3薄膜。
在上述实施例的基础上，参见图7所示，该自旋电流过滤器还包括：开关40，该开关40用于控制电源30是否为压电晶体20提供电场。
其中，电源30的正极通过开关40与压电晶体20在垂直于电场方向上的一侧相连；或，电源30的负极通过开关40与压电晶体20在垂直于电场方向上的另一侧相连(如图7所示)。
当开关40未闭合时，如图7所示，CrI3薄膜10左侧的电流具有相等数量的自旋向上和自旋向下的电子，自旋向上和向下不是指空间中的实际方向，只是代表两种自旋通道，而电流中电子具体的自旋极化方向是不确定的。本发明实施例中，当开关40未闭合、压电晶体20不拉伸时，CrI3薄膜的磁矩垂直于CrI3薄膜的平面，即沿z轴方向，此时经过CrI3薄膜过滤后的电流即为自旋方向平行于z轴方向的单自旋电流。当开关40闭合后，参见图8所示，由于此时CrI3薄膜的磁矩平行于膜平面，磁矩的具体方向由该CrI3薄膜的固有特性决定；此时经过CrI3薄膜过滤后的电流即为自旋方向平行于x轴方向(或y轴方向)的单自旋电流。即在利用CrI3薄膜控制电流自旋方向的同时，还可以通过开关改变电流自旋极化方向。
本发明实施例提供的一种基于三碘化铬的极化方向可控的自旋电流过滤器，利用三碘化铬磁性膜晶格常数变大时三碘化铬的磁各向异性发生变化、磁矩由垂直于膜面的方向转为平行于膜面的特性，以及压电晶体上电致收缩的特性，通过压电晶体拉伸CrI3薄膜，可以将任意输入电流调整为沿CrI3薄膜磁矩方向的自旋电流，进而将经过CrI3薄膜的非自旋极化的电流过滤成可控制自旋极化方向的自旋电流。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (5)
1.一种基于三碘化铬的极化方向可控的自旋电流过滤器，其特征在于，包括：三碘化铬磁性膜、压电晶体和电源；
所述电源的正极与所述压电晶体在垂直于电场方向上的一侧相连，所述电源的负极与所述压电晶体在垂直于电场方向上的另一侧相连；
所述三碘化铬磁性膜在第一方向上的一边固定，所述三碘化铬磁性膜在第一方向上的另一边与所述压电晶体在垂直于形变方向上的一侧固定连接；所述三碘化铬磁性膜在第二方向上的边用于通过待自旋过滤的电流，所述第一方向和所述第二方向组成的平面与所述三碘化铬磁性膜的膜厚度方向垂直。
2.根据权利要求1所述的自旋电流过滤器，其特征在于，所述三碘化铬磁性膜为单层膜。
3.根据权利要求1所述的自旋电流过滤器，其特征在于，所述第一方向与所述第二方向垂直。
4.根据权利要求1所述的自旋电流过滤器，其特征在于，所述压电晶体在垂直于形变方向上的另一侧固定。
5.根据权利要求1所述的自旋电流过滤器，其特征在于，还包括：开关；
所述电源的正极通过所述开关与所述压电晶体在垂直于电场方向上的一侧相连；或
所述电源的负极通过所述开关与所述压电晶体在垂直于电场方向上的另一侧相连。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 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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