CN109962159B - 一种垂直型-异域有机自旋电子器件的制备工艺和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种垂直型‑异域有机自旋电子器件的制备工艺和应用，属于自旋电子学领域，本发明结合了横向器件与纵向器件的优点，一方面通过横向注入自旋极化电流，自旋极化电流横向注入有机材料，避免垂直结构电学短路问题；另一方面纵向探测电子自旋，自旋扩散通道长度即为薄膜厚度，采用楔形有机薄膜，实现自旋扩散通道长度的纳米级连续可调，通过外加电场和磁场，多模式实现有机物中电子自旋的操控和利用。本发明垂直型‑异域有机自旋电子器件，可用于操控自旋扩散长度在纳米量级的材料中的电子自旋，在同一器件中多模式实现电子自旋的操控，能够实现有机自旋阀的磁阻效应、non‑local磁阻效应、自旋Hanle效应。
Description
技术领域
本发明属于自旋电子学领域，涉及一种垂直型-异域有机自旋电子器件的制备工艺和应用。
背景技术
自旋电子学研究对电子自旋的操控和利用，赋予传统电子器件和光电子器件新的功能。自旋电子器件与微电子器件相比，具有反应速度快、存储密度大、能耗小、非易失性等特点。有机物弱的自旋-轨道耦合和π电子抑制的核自旋超精细作用，自旋弛豫时间长，加上制备容易、生产成本低，是未来自旋电子器件实现广泛应用的重要材料。目前，有机自旋电子学的原理型器件主要是垂直结构有机自旋阀，由上、下磁电极和中间非磁有机层组成，通过外加磁场使上下磁电极磁矩平行或反平行排列，实现低电阻态和高电阻态。然而，由于有机层与上磁电极的界面扩散问题，自旋阀磁阻的机理一直存在争议，加上传统non-local(异域)器件与Hanle(汉勒)器件在有机物电子自旋操控方面一直没有突破，国内外学者一直致力于开发新型原型器件，实现有机物中电子自旋的操控和利用。
自旋电子学研究的原型器件主要有自旋阀、隧穿结、non-local器件。虽然有机物的自旋弛豫时间长，但由于载流子迁移率低，电子自旋扩散长度通常在纳米量级。为实现电子自旋的有效操控和利用，自旋扩散通道的长度应小于材料的自旋扩散长度。垂直结构自旋阀和隧穿结是目前已实现有机物中电子自旋操控的原型器件。由于有机/无机界面互扩散问题，有机层的厚度不可控，垂直结构自旋阀中电子自旋扩散通道的有效长度不可控，器件重复率低，机理存在争议；隧穿结器件需辅以绝缘隔离层，界面复杂，机理不清。而横向自旋阀与non-local器件，平行电极的制备依赖于微纳加工技术的发展，虽然在部分自旋扩散长度在微米量级的二维材料和无机半导体中实现了电子自旋的操控，但在有机物中尚未有突破。
发明内容
针对传统自旋电子器件的不足，本发明的目的在于提供一种垂直型-异域有机自旋电子器件的制备工艺和应用。
本发明提供一种垂直型-异域有机自旋电子器件的制备工艺，包括以下步骤：
(1)在衬底上外延生长单晶La0.67Sr0.33MnO3(LSMO)薄膜，并光学刻蚀成LSMO条形电极；
(2)在LSMO条形电极附近光学套刻Au条形电极，所述Au条形电极与LSMO条形电极平行排列于衬底上；
(3)采用超高真空热蒸发工艺，利用物理掩模沿LSMO条形电极方向生长厚度呈梯度变化的楔形有机薄膜；
(4)采用超高真空热蒸发工艺，利用物理掩模在楔形有机薄膜上方，沿垂直于LSMO条形电极方向生长Co条形电极，并在Co条形电极表面生长保护层，得到所述垂直型-异域有机自旋电子器件。
作为优选，步骤(1)中，采用PLD外延生长单晶LSMO薄膜，LSMO薄膜的厚度为30nm，经光刻后，LSMO条形电极的宽度为20～200μm。
作为优选，步骤(2)中，Au条形电极位于LSMO条形电极的两侧，Au条形电极的厚度为30nm，宽度为50～200μm。
作为优选，步骤(3)中，楔形有机薄膜的厚度为10～100nm，其厚度为连续变化，最薄处为10nm，最厚处为100nm。
作为优选，步骤(4)中，Co条形电极的厚度为10～20nm，宽度为50～200μm。
作为优选，步骤(4)中，保护层为Au或者NaCl，以避免Co被氧化。
本发明所述垂直型-异域有机自旋电子器件，该器件包括衬底，衬底上平行设置有LSMO条形电极和Au条形电极，Au条形电极位于LSMO条形电极的两侧，所述LSMO条形电极和Au条形电极的上方设有楔形有机薄膜，楔形有机薄膜的厚度沿LSMO条形电极方向梯度变化，楔形有机薄膜的上方设有Co条形电极，Co条形电极的方向与LSMO条形电极垂直，Co条形电极的表面设有保护层，以避免Co电极被氧化，形成稳定的整体。
本发明还提供一种垂直型-异域有机自旋电子器件的应用，自旋极化电流横向注入有机物，并实现纵向异域自旋探测，通过施加外电场和外磁场，对有机物中电子自旋进行操控。
进一步，通过在LSMO-Au电极间加电压，自旋极化载流子由LSMO注入有机层；通过在Au-Co电极间探测垂直方向上由于自旋累积而产生的电压，通过器件面内磁场变化实现异域自旋操控，或者通过器件面外磁场变化实现自旋进动。
进一步，通过在LSMO-Co电极间加电压测电流的方式，在面内磁场作用下利用自旋对器件电阻进行操控，可用于开发自旋信息存储功能。
本发明结合了横向器件与纵向器件的优点，一方面通过横向施加电压，自旋极化电流横向注入有机材料，避免垂直结构电学短路问题；另一方面纵向探测电子自旋，自旋扩散通道长度即为薄膜厚度，采用楔形有机薄膜，实现自旋扩散通道长度的纳米级连续可调，通过外加电场和磁场，多模式实现有机物中电子自旋的操控和利用。
本发明的有益技术效果为：
(1)采用横向注入自旋极化电流的方式，避免电学短路。
(2)采用纵向探测自旋的方式，将楔形有机薄膜厚度作为电子自旋扩散的通道长度，无需微加工技术，即可实现自旋扩散通道长度纳米级连续可调，有利于实现有机物中电子自旋的注入、调控与测量。
(3)本发明垂直型-异域有机自旋电子器件，可用于操控自旋扩散长度在纳米量级的材料中的电子自旋，在同一器件中多模式实现电子自旋的操控，能够实现有机自旋阀的磁阻效应、non-local磁阻效应、自旋Hanle效应。
附图说明
图1本发明垂直型-异域有机自旋电子器件的结构示意图。
图2通过垂直自旋阀巨磁阻效应操控电子自旋。
图3通过non-local磁阻效应操控电子自旋。
图4通过自旋在垂直磁场作用下的进动操控电子自旋。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图和实施例对本发明方案作进一步的阐述。
本发明提供一种垂直型-异域有机自旋电子器件的制备工艺，包括以下步骤：
(1)采用PLD法(超高真空脉冲激光沉积方法)，在衬底(Sub.)上外延生长单晶LSMO薄膜，并光学刻蚀成LSMO条形电极(记为FM I)；
(2)在LSMO条形电极附近光学套刻Au条形电极(记为NM)，Au条形电极位于LSMO条形电极的两侧，Au条形电极与LSMO条形电极平行排列于衬底上；
(3)采用超高真空热蒸发工艺，利用物理掩模沿LSMO条形电极方向生长厚度呈梯度变化的楔形有机薄膜(记为OSC)；
(4)采用超高真空热蒸发工艺，利用物理掩模在楔形有机薄膜上方，沿垂直于LSMO条形电极方向生长Co条形电极(记为FM II)，并在Co条形电极表面生长保护层Au或者NaCl，得到垂直型-异域有机自旋电子器件，如图1所示。
实施例1
采用单晶SrTiO3衬底，在其表面外延生长厚度为30nm的单晶LSMO薄膜，并光学刻蚀成50微米宽条形电极；然后采用光学套刻的方法，在LSMO条形电极附近1微米处生长Cr(5nm)/Au(25nm)条形电极；采用超高真空热蒸发在LSMO、Cr/Au电极表面生长楔形有机层Alq3，楔形有机层的厚度为10～100nm，楔形有机层的厚度沿LSMO条形电极方向连续变化，最薄处为10nm，最厚处为100nm；然后在有机层表面采用超高真空电子束蒸发生长厚度为15nm的Co电极，并采用物理掩模实现条形电极的原位成型，方向与LSMO电极垂直，在Co条形电极表面生长NaCl保护层。
本实施例制备的垂直型-异域有机自旋电子器件，包括衬底，衬底上平行设置有LSMO条形电极和Au条形电极，Au条形电极位于LSMO条形电极的两侧，LSMO条形电极和Au条形电极的上方设有楔形有机薄膜，楔形有机薄膜的厚度沿LSMO条形电极方向梯度变化，楔形有机薄膜的上方设有Co条形电极，Co条形电极的方向与LSMO条形电极垂直，Co条形电极的表面设有保护层，以避免Co电极被氧化，形成稳定的整体。
通过在LSMO-Co电极间加压测电流的方式(图2a)，研究器件电阻随面内磁场、电场的变化(图2b-c)。该实例通过磁场扫描操控两磁电极磁矩的平行与反平行排列，实现对器件中电子自旋的操控，并通过巨磁阻效应、磁阻忆效应体现出来。
实施例2
采用单晶SrTiO3衬底，在其表面外延生长厚度为30nm的单晶LSMO薄膜，并光学刻蚀成50微米宽条形电极；然后采用光学套刻的方法，在LSMO条形电极附近1微米处生长Cr(5nm)/Au(25nm)条形电极；采用超高真空热蒸发在LSMO、Cr/Au电极表面生长楔形有机层Alq3，楔形有机层的厚度为10～100nm，楔形有机层的厚度沿LSMO条形电极方向连续变化，最薄处为10nm，最厚处为100nm；然后在有机层表面采用超高真空电子束蒸发生长厚度为15nm的Co电极，并采用物理掩模实现条形电极的原位成型，方向与LSMO电极垂直，在Co条形电极表面生长NaCl保护层。
通过在LSMO-Cr/Au之间加电压，自旋极化电流从LSMO电极注入有机层，通过自旋扩散被垂直方向上的Co电极探测到，并通过面内磁场扫描(图3a)，操控有机物中电子自旋，并以non-local磁阻效应和阻忆效应呈现出来(图3b-c)。
实施例3
采用单晶SrTiO3衬底，在其表面外延生长厚度为30nm的单晶LSMO薄膜，并光学刻蚀成50微米宽条形电极；然后采用光学套刻的方法，在LSMO条形电极附近1微米处生长Cr(5nm)/Au(25nm)条形电极；采用超高真空热蒸发在LSMO、Cr/Au电极表面生长楔形有机层Alq3，楔形有机层的厚度为10～100nm，楔形有机层的厚度沿LSMO条形电极方向连续变化，最薄处为10nm，最厚处为100nm；然后在有机层表面采用超高真空电子束蒸发生长厚度为15nm的Co电极，并采用物理掩模实现条形电极的原位成型，方向与LSMO电极垂直，在Co条形电极表面生长NaCl保护层。
通过在LSMO-Cr/Au之间加电压，自旋极化电流从LSMO电极注入有机层，通过自旋扩散被垂直方向上的Co电极探测到，并通过面外磁场扫描(图4a)，操控有机物中电子自旋的进动，并汉勒效应呈现出来(图4b-c)。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术构思前提下所得到的改进和变换也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种垂直型-异域有机自旋电子器件的制备工艺，其特征在于，包括以下步骤：
(1) 在衬底上外延生长单晶La0.67Sr0.33MnO3薄膜，即LSMO薄膜，并光学刻蚀成LSMO条形电极；
(2) 在LSMO条形电极附近光学套刻Au条形电极，所述Au条形电极与LSMO条形电极平行排列于衬底上；
(3) 采用超高真空热蒸发工艺，利用物理掩模沿LSMO条形电极方向生长厚度呈梯度变化的楔形有机薄膜；
(4) 采用超高真空热蒸发工艺，利用物理掩模在楔形有机薄膜上方，沿垂直于LSMO条形电极方向生长Co条形电极，并在Co条形电极表面生长保护层，得到所述垂直型-异域有机自旋电子器件；
该器件包括衬底，衬底上平行设置有LSMO条形电极和Au条形电极，Au条形电极位于LSMO条形电极的两侧，所述LSMO条形电极和Au条形电极的上方设有楔形有机薄膜，楔形有机薄膜的厚度沿LSMO条形电极方向梯度变化，楔形有机薄膜的上方设有Co条形电极，Co条形电极的方向与LSMO条形电极垂直，Co条形电极的表面设有保护层，以避免Co电极被氧化，形成稳定的整体；
自旋极化电流横向注入有机物，并实现纵向异域自旋探测，通过施加外电场和外磁场，对有机物中电子自旋进行操控；
通过在LSMO-Au电极间加电压，自旋极化载流子由LSMO注入有机层；通过在Au-Co电极间探测垂直方向上由于自旋累积而产生的电压，通过器件面内磁场变化实现异域自旋操控，或者通过器件面外磁场变化实现自旋进动。
2.根据权利要求1所述的垂直型-异域有机自旋电子器件的制备工艺，其特征在于，步骤(1)中，采用PLD外延生长单晶LSMO薄膜，LSMO薄膜的厚度为30nm，经光刻后，LSMO条形电极的宽度为20～200μm。
3.根据权利要求1所述的垂直型-异域有机自旋电子器件的制备工艺，其特征在于，步骤(2)中，Au条形电极位于LSMO条形电极的两侧，Au条形电极的厚度为30nm，宽度为50～200μm。
4.根据权利要求1所述的垂直型-异域有机自旋电子器件的制备工艺，其特征在于，步骤(3)中，楔形有机薄膜的厚度为10～100nm，其厚度为连续变化，最薄处为10nm，最厚处为100nm。
5.根据权利要求1所述的垂直型-异域有机自旋电子器件的制备工艺，其特征在于，步骤(4)中，Co条形电极的厚度为10～20nm，宽度为50～200μm。
6.根据权利要求1或5所述的垂直型-异域有机自旋电子器件的制备工艺，其特征在于，步骤(4)中，保护层为Au或者NaCl，以避免Co被氧化。
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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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