CN109962157A - 一种自旋电子器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自旋电子器件及其制备方法，该器件包括从上至下依次设置的第一铁磁层、二维超晶格复合势垒层和第二铁磁层。具有可对不同自旋注入效率进行精准偏压调控，具有更好的偏压特性、电阻可控性及磁传感特性，结构紧凑、体积小、响应快、功耗低，制备灵活、能够进行大尺寸阵列器件制备、成本低等优点。

Description

一种自旋电子器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及电子器件、磁探测领域，尤其涉及一种基于自旋分辨共振隧穿的石墨烯/二维半导体/石墨烯范德瓦自旋电子器件及其制备方法。
背景技术
随着微电子学的发展，特别是大规模集成电路技术突飞猛进，使得人类快速进入信息时代。但是传统微电子学仅仅利用了电子具有电荷这一特性，近年来微电子学和磁学的交叉推生了自旋电子器件的发展，将电荷和自旋均成为了电子导电可调控的自由度，其内容主要涉及到自旋极化电流的注入、操控和检测，可广泛应用于逻辑开关、磁存储、磁传感等。自旋电子学成为了微电子学发展的研究热点，然而自旋电流的精确操控是目前自旋电子器件发展急需解决的难点问题。
磁隧道结器件（MTJ）作为自旋电子学领域的一个重要分支，其磁电阻在不断地取得突破，并在自旋电子器件和磁传感方面获得广泛应用，最初以Ge和Al2O3作为磁隧道结的势垒层，势垒层中两种自旋的衰减速率基本相同，自旋电子在输运过程中几乎不存在自旋过滤效应，磁阻变化率主要取决于铁磁性电极的自旋极化率，通常隧穿磁电阻效应（TMR）较弱（Miao G， Muenzenberg M， Moodera J S， Tunneling path toward spintronics.Reports on Progress in Physics， 2011， 74：0365013）。2001年Butler等人通过第一性原理计算预言了基于单晶MgO势垒的Fe/MgO/Fe隧道结存在超过1000%的TMR效应，较高的TMR效应主要来源于MgO中电子相干隧穿机制的自旋过滤效应（Butler W， Zhang X G，Schulthess T C， Spin-dependent tunneling conductance of Fe|MgO|Fe sandwiches.Phys Rev B， 2011， 63： 054416）。2008年Ikeda 等全外延生长制备的MgO磁隧道结在室温下的磁阻变化率达到了604%（Ikeda S， Hayakawa J， Ashizawa Y， Tunnelmagnetoresistance of 604% at 300 K by suppression of Ta diffusion in CoFeB/MgO/CoFeB pseudo-spin-valves annealed at high temperature. Applied PhysicsLetters， 2008， 93：0825088）。主流MgO隧道结的磁阻变化率也与理论值更加接近，磁敏性能已难以再取得较大突破，迫使我们去寻找更佳的自旋过滤效应材料体系。
石墨烯具有自旋弛豫时间长、电子迁移率高、结构稳定等优异物理化学特性，被广泛研究应用于各类自旋电子器件。将石墨烯与其他二维材料特性（如宽禁带、强自旋轨道耦合效应等）相结合，能进一步拓展其应用领域和范围。2017年Dankert等人利用二维材料MoS2较强的自旋轨道耦合效应结合石墨烯较长的自旋弛豫长度优势制备了室温下采用栅压操控自旋电流的范德瓦异质结器件（Andre' Dankert， Saroj P. Dash， Electricalgate control of spin current in van der Waals heterostructures at roomtemperature. Nature Communication， 2017， 8：16093）。以二维六角BN材料作为介质层，可以显著提高石墨烯的载流子迁移率，2014年Kamalakar等人将六角BN插入石墨烯与铁磁薄膜界面，有效改善了界面电导匹配性，增强了自旋注入效率，在石墨烯中获得了0.46ns的自旋弛豫寿命和14%的自旋电流极化率（M. Venkata Kamalakar， Andre´ Dankert， JohanBergsten， Enhanced Tunnel Spin Injection into Graphene using Chemical VaporDeposited Hexagonal Boron Nitride. Scientific Reports， 2014， 4 ：6146）。
如何进一步改善自旋电子器件的自旋电流操控特性、MTJ器件的磁传感特性，是目前自旋电子学领域急需解决的热点问题。本发明将石墨烯与其他二维材料构成的范德瓦异质结作为复合势垒层应用于MTJ结构，利用复合势垒的共振隧穿效应，石墨烯与铁磁层良好的界面自旋过滤效应，将有效改善自旋电流的操控特性，同时改良MTJ器件的偏压特性、电阻可控性以及磁传感特性，可广泛应用于自旋相关的高频器件、逻辑器件、磁探测等方面。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种可对不同自旋注入效率进行精准偏压调控，具有更好的偏压特性、电阻可控性及磁传感特性，结构紧凑、体积小、响应快、功耗低，制备灵活、能够进行大尺寸阵列器件制备、成本低的自旋电子器件及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：一种自旋电子器件，包括从上至下依次设置的第一铁磁层、二维超晶格复合势垒层和第二铁磁层。
进一步地，在所述第一铁磁层的上方，还设置有第一偏置电极层，在所述第二铁磁层的下方，还设置有第二偏置电极层。
进一步地，所述二维超晶格复合势垒层包括从上至下依次设置的第一石墨烯层、二维半导体层和第二石墨烯层。
进一步地，所述第一石墨烯层和所述第二石墨烯层的原子层数相同。
进一步地，所述第一石墨烯层和所述第二石墨烯层的原子层数为1至3层；所述二维半导体层的原子层数为1至3层。
进一步地，所述二维超晶格复合势垒层中所述第一石墨烯层和第二石墨烯层的电子结构相同，可使电子能够进行共振隧穿。
进一步地，所述第一铁磁层和所述第二铁磁层优选为可使所述第一石墨烯层和第二石墨烯层中石墨烯电子结构发生高自旋极化的材料。
进一步地，所述第一铁磁层的材料为铁、或钴、或镍，所述第二铁磁层的材料为铁、或钴、或镍。
进一步地，所述二维半导体层材料为六角氮化硼材料。
一种自旋电子器件的制备方法，通过生长方法制备第一铁磁层，再通过生长或转移方法生成二维超晶格复合势垒层，再后通过生长方法制备第二铁磁层，制备成从上至下依次为第一铁磁层、二维超晶格复合势垒层和第二铁磁层的自旋电子器件结构。
进一步地，所述二维超晶格复合势垒层的制备步骤包括：通过CVD生长法或机械剥离方法生成第一石墨烯层、第二石墨烯层和二维半导体层；再通过多次湿法或干法转移制备成从上至下依次为第一石墨烯层、二维半导体层和第二石墨烯层的重叠结构；再通过高温退火，生成二维超晶格复合势垒层；
或者：
通过二维材料异质生长方法按照第一石墨烯层、二维半导体层、第二石墨烯层的顺序逐层生长制备。
进一步地，通过电子束蒸发或磁控溅射的方法生成所述第一铁磁层和第二铁磁层；
还包括通过电子束蒸发或磁控溅射的方法制备第一偏置电极层和第二偏置电极层。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明的自旋电子器件，综合利用了石墨烯与铁磁材料良好的界面自旋过滤效应，以及石墨烯之间强烈的共振隧穿效应，使得该类型器件能够进一步增强自旋过滤效应，并且通过偏压调控两侧石墨烯费米面的高低，可实现对不同自旋注入效率精准偏压调控。
2、本发明相比现有的MTJ结构，能够进一步提高MTJ器件的偏压特性、电阻可控性以及磁传感特性；如通过二维半导体材料厚度的改变调控器件的电阻大小，以适应不同的应用领域；自旋共振峰和峰峰间距对外磁场方向和大小极其敏感，可调控磁阻正负极性，解决磁敏感体桥式结构中不同桥臂敏感方向的控制，改善器件磁敏感特性。
3、本发明的自旋电子器件，具有结构紧凑、体积小、响应快、功耗低等优点，制备灵活多样，能够进行大尺寸阵列器件制备，成本低。
附图说明
图1为本发明具体实施例的自旋电子器件截面结构示意图。
图2为本发明具体实施例的自旋电子器件的基本原理示意图。
图3为本发明具体实施例的自旋电子器件在平行磁化和反平行磁化下的偏压调控自旋电流和TMR的关系曲线。
图例说明：1、第一偏置电极层；2、第一铁磁层；3、第一石墨烯层；4、二维半导体层；5、第二石墨烯层；6、第二铁磁层；7、第二偏置电极层。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
如图1所示，本实施例的自旋电子器件，包括从上至下依次设置的第一铁磁层、二维超晶格复合势垒层和第二铁磁层。二维超晶格复合势垒层包括从上至下依次设置的第一石墨烯层、二维半导体层和第二石墨烯层。在第一铁磁层的上方，还设置有第一偏置电极层，在第二铁磁层的下方，还设置有第二偏置电极层。
在本实施例中，第一石墨烯层和第二石墨烯层的原子层数相同。第一石墨烯层和第二石墨烯层的原子层数优选为1至3层；二维半导体层的原子层数优选为1至3层。二维超晶格复合势垒层中第一石墨烯层和第二石墨烯层的电子结构相同，可使电子能够进行共振隧穿。第一铁磁层和第二铁磁层优选为可使第一石墨烯层和第二石墨烯层中石墨烯电子结构发生高自旋极化的材料。进一步地，第一铁磁层的材料优选为铁、或钴、或镍，第二铁磁层的材料优选为铁、或钴、或镍。
在本实施例中，第一偏置电极层和第二偏置电极层可以避免第一铁磁层和第二铁磁层氧化。本实施例的自旋电子器件是一种基于自旋分辨共振隧穿的石墨烯/二维半导体/石墨烯范德瓦自旋电子器件，其基本原理如图2所示，二维半导体层两侧的石墨烯层与铁磁层分别结合（第一石墨烯层与第一铁磁层结合，第二石墨烯层与第二铁磁层结合），电子能带结构发生自旋极化，通过偏压调控两侧石墨烯层费米面高低，当第一石墨烯层中自旋电子带的占据态与第二石墨烯层中相应自旋子带的空态一一对应时，由于能量和动量守恒，自旋电子将在穿越中间二维半导体层时产生共振隧穿效应，从而实现偏压对自旋注入效率和磁阻变化率的有效调控。
本实施例中，通过自旋电子器件测量的电阻值为第一偏置电极层和第二偏置电极层之间的阻值。当第一铁磁层和第二铁磁层的磁矩方向平行磁化时，自旋电子器件可在偏压V0下产生自旋共振；当第一铁磁层和第二铁磁层的磁矩方向反平行磁化时，自旋电子器件可在偏压V1下产生自旋共振；因此，可通过操控偏压实现对自旋电子器件的自旋电流、磁阻变化率进行有效调控。本实施例的自旋电子器件具有良好的界面自旋过滤效应和石墨烯/二维半导体/石墨烯形成的共振隧穿效应，如图3所示。当器件处于平行磁化时，自旋向上电子在0.2V附件出现共振隧穿现象，自旋极化率达到80%；当器件处于反平行磁化时，自旋向上电子在0.7V附件出现共振隧穿现象，自旋极化率达到60%。同时在偏压作用下，TMR值正负极性在0.4V附近发生转换。从而通过偏压实现了对自旋注入效率的调控、TMR正负极性控制和增强，使得本发明能够实际应用于自旋电子器件、磁传感等方面。
本实施例的自旋电子器件的制备方法，通过生长方法制备第一铁磁层，再通过生长或转移方法生成二维超晶格复合势垒层，再后通过生长方法制备第二铁磁层，制备成从上至下依次为第一铁磁层、二维超晶格复合势垒层和第二铁磁层的自旋电子器件结构。
在本实施例中，二维超晶格复合势垒层的制备步骤包括：通过CVD（化学气相沉积）生长法或机械剥离方法生成第一石墨烯层、第二石墨烯层和二维半导体层；再通过多次湿法或干法转移制备成从上至下依次为第一石墨烯层、二维半导体层和第二石墨烯层的重叠结构；再通过高温退火，生成二维超晶格复合势垒层；或者：通过二维材料异质生长方法按照第一石墨烯层、二维半导体层、第二石墨烯层的顺序逐层生长制备。在本实施例中，高温退火优选为700摄氏度至800摄氏度的高温退火。二维超晶格复合势垒层为高晶向的堆叠结构。
在本实施例中，通过电子束蒸发或磁控溅射的方法生成第一铁磁层和第二铁磁层；还包括通过电子束蒸发或磁控溅射的方法制备第一偏置电极层和第二偏置电极层。通过光刻、刻蚀以及机械掩膜版等方法对第一铁磁层、第二铁磁层、第一偏置电极层或第二偏置电极层进行加工，得到所需要的形状和尺寸。
上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种自旋电子器件，其特征在于：包括从上至下依次设置的第一铁磁层、二维超晶格复合势垒层和第二铁磁层。
2.根据权利要求1所述的自旋电子器件，其特征在于：在所述第一铁磁层的上方，还设置有第一偏置电极层，在所述第二铁磁层的下方，还设置有第二偏置电极层。
3.根据权利要求2所述的自旋电子器件，其特征在于：所述二维超晶格复合势垒层包括从上至下依次设置的第一石墨烯层、二维半导体层和第二石墨烯层。
4.根据权利要求3所述的自旋电子器件，其特征在于：所述第一石墨烯层和所述第二石墨烯层的原子层数相同。
5.根据权利要求4所述的自旋电子器件，其特征在于：所述第一石墨烯层和所述第二石墨烯层的原子层数为1至3层；所述二维半导体层的原子层数为1至3层。
6.根据权利要求5所述的自旋电子器件，其特征在于：所述二维超晶格复合势垒层中所述第一石墨烯层和第二石墨烯层的电子结构相同，使电子能够进行共振隧穿。
7.根据权利要求6所述的自旋电子器件，其特征在于：所述第一铁磁层的材料为铁、或钴、或镍，所述第二铁磁层的材料为铁、或钴、或镍。
8.一种自旋电子器件的制备方法，其特征在于：通过生长方法制备第一铁磁层，再通过生长或转移方法生成二维超晶格复合势垒层，再后通过生长方法制备第二铁磁层，制备成从上至下依次为第一铁磁层、二维超晶格复合势垒层和第二铁磁层的自旋电子器件结构。
9.根据权利要求8所述的自旋电子器件的制备方法，其特征在于：所述二维超晶格复合势垒层的制备步骤包括：通过CVD生长法或机械剥离方法生成第一石墨烯层、第二石墨烯层和二维半导体层；再通过多次湿法或干法转移制备成从上至下依次为第一石墨烯层、二维半导体层和第二石墨烯层的重叠结构；再通过高温退火，生成二维超晶格复合势垒层；
或者：
通过二维材料异质生长方法按照第一石墨烯层、二维半导体层、第二石墨烯层的顺序逐层生长制备。
10.根据权利要求9所述的自旋电子器件的制备方法，其特征在于：通过电子束蒸发或磁控溅射的方法生成所述第一铁磁层和第二铁磁层；
还包括通过电子束蒸发或磁控溅射的方法制备第一偏置电极层和第二偏置电极层。
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