CN110373713B - 非互易自旋波波导材料及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

一种非互易自旋波波导材料及其制备方法和应用，属于新材料技术领域。所述非互易自旋波波导材料包括GGG单晶基片，以及依次形成于基片之上的钇铁石榴石单晶薄膜和稀土薄膜，其中，所述稀土薄膜为Dy、Tm、Lu、Nd等。本发明YIG/稀土异质结薄膜相对于单一YIG薄膜，其上下表面传输的自旋波具有显著的非互易性，即上下表面传播的自旋波幅值和峰位均发生了显著变化。另一方面，本发明自旋波波导材料的厚度与单层YIG薄膜相比，并未发生明显改变，仅在YIG表面覆盖一层纳米厚度的稀土薄膜，为非互易性自旋波波导材料的研究和制备提供了一种新方案，在自旋电子学、自旋波波导、自旋波逻辑器件、量子计算等众多领域有广泛的应用前景。

Description

非互易自旋波波导材料及其制备方法和应用
技术领域
本发明属于新材料技术领域，具体涉及一种非互易自旋波波导材料及其制备方法和应用。
背景技术
随着信息技术的高速发展，传统的电子器件由于存在电流焦耳热，电子器件的小型化和低功耗面临着严峻的瓶颈。自旋波(Spin Waves)是在磁有序材料中电子自旋进动的集体传播过程，具有无热耗散、非欧姆接触、极高工作频率范围、实现室温玻色-爱因斯坦凝聚、磁子超流等宏观量子效应等优点。基于自旋波的信息传输、逻辑计算有可能成为后摩尔时代信息传输、处理的重要方式之一。自旋波的波导材料要求损耗低，即要求材料具有很低的阻尼因子，迄今阻尼最小的材料是单晶钇铁石榴石(YIG)材料，理论阻尼可低至10-6。当采用微波天线激发自旋波在YIG中传播的时候，依据波矢k方向和面内磁场H方向的区别，可以分为两种不同类型的自旋波：(1)K⊥H，静磁表面波(Magnetostatic surface modes，MSSW)；(2)K∥H，后向体波(backward-volume magnetostatic waves，BVMSW)。对于静磁表面波来讲，为了获得自旋波传播的非互易性，通常需要改变YIG上下表面的自旋波传输“环境”。但是，很难改变单层YIG薄膜上下表面的自旋波传输“环境”，其自旋波传输的非互易性不明显，仅仅是幅度上的差别，自旋波模式的峰位未发生变化。面对自旋波波导、自旋波逻辑器件等新型器件的迫切需求，研发具有显著非互易自旋波传输特性波导材料十分重要。
发明内容
本发明的目的在于，针对背景技术存在的缺陷，提出一种非互易自旋波波导材料及其制备方法和应用。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种非互易自旋波波导材料，其特征在于，包括GGG(钆镓石榴石)单晶基片，以及依次形成于基片之上的钇铁石榴石(YIG)单晶薄膜和稀土薄膜(YIG/稀土异质结)，其中，所述稀土薄膜为Dy、Tm、Lu、Nd等。
进一步地，所述稀土薄膜的厚度为1nm～50nm；所述钇铁石榴石(YIG)单晶薄膜的厚度为100nm～10μm。
进一步地，所述非互易自旋波波导材料是通过在钇铁石榴石(YIG)单晶基片表面生长纳米厚度的稀土(Dy、Tm、Lu、Nd等)薄膜，并在500～800℃下退火形成的。
进一步地，所述钇铁石榴石(YIG)单晶薄膜采用液相外延或者真空气相沉积(激光脉冲沉积、磁控溅射)等方法生长于所述GGG(钆镓石榴石)单晶基片表面；所述稀土薄膜采用磁控溅射等方法生长于所述钇铁石榴石单晶薄膜表面。
上述非互易自旋波波导材料，通过自旋波共振技术激发和探测自旋波传输特性，获得自旋波在YIG/GGG界面和YIG/稀土(Dy、Tm、Lu、Nd等)中的非互易传输曲线，证实为一种新型非互易自旋波波导材料。
一种非互易自旋波波导材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、以Fe2O3和Y2O3为原料，采用液相外延法或真空气相沉积方法，在GGG(钆镓石榴石)单晶基片上生长钇铁石榴石(YIG)单晶薄膜，得到钇铁石榴石(YIG)单晶基片；
步骤2、采用磁控溅射法在步骤1得到的钇铁石榴石单晶基片上生长厚度为1nm～50nm的稀土薄膜(Dy、Tm、Lu、Nd等)；
步骤3、将步骤2得到的带稀土薄膜的钇铁石榴石单晶基片在500～800℃下退火，即可得到所述非互易自旋波波导材料。
更具体地，一种非互易自旋波波导材料的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、以高纯度(高于99.99wt％)Fe2O3和Y2O3为原料，采用液相外延法或真空气相沉积方法，在GGG(钆镓石榴石)单晶基片上生长钇铁石榴石(YIG)单晶薄膜，得到钇铁石榴石(YIG)单晶基片；
具体地，采用液相外延法生长YIG薄膜的过程为：将高纯度Fe2O3、Y2O3和Bi2O3在1000～1100℃下熔融，Bi2O3作为熔剂，充分搅拌，得到液相生长熔体；采用重铬酸钾和浓硫酸的混合液、去离子水、NaOH和NaHCO3混合液、去离子水、异丙醇依次清洗GGG单晶基片；将清洗后的GGG单晶基片放入液相生长熔体中，在900～980℃温度下生长薄膜，生长完成后，清洗去除残留，即可得到YIG单晶薄膜；
步骤2、采用磁控溅射法在步骤1得到的钇铁石榴石单晶基片上生长厚度为1nm～50nm的稀土薄膜(Dy、Tm、Lu、Nd等)；
具体地，以步骤1得到的钇铁石榴石单晶基片作为生长基片，在温度为500～800℃、Ar气流量为10～15sccm、背底真空度为4.1×10-4Pa、溅射功率为20～30W的条件下，采用磁控溅射法得到稀土薄膜；
步骤3、将步骤2得到的带稀土薄膜的钇铁石榴石单晶基片在500～800℃下退火0.5～4h，退火过程中，稀土原子扩散进入YIG石榴石，得到YIG/稀土(Dy、Tm、Lu、Nd等)异质结材料，即为所述非互易自旋波波导材料。
进一步地，步骤1所述真空气相沉积方法包括激光脉冲沉积法和磁控溅射法。
更进一步地，步骤1采用激光脉冲沉积法生长钇铁石榴石(YIG)单晶薄膜的具体过程为：以固相反应法得到的Y3Fe5O12作为靶材，在脉冲频率为10～50Hz、氧分压为0.1～0.5Pa、基片温度为500～750℃的条件下，采用激光脉冲沉积法生长高品质YIG薄膜。
更进一步地，步骤1采用磁控溅射法生长钇铁石榴石(YIG)单晶薄膜的具体过程为：以固相反应法得到的Y3Fe5O12作为靶材，在溅射功率为30～70W、溅射气压为0.1～0.5Pa、基片温度为550～750℃的条件下，采用磁控溅射法生长高品质YIG薄膜。
本发明还提供了上述非互易自旋波波导材料在自旋电子学、自旋波波导、自旋波逻辑器件、量子计算领域的应用，例如制作其中的核心元件，在此不作赘述。
由于采用以上技术方案，本发明具有如下有益效果：
本发明提供的一种非互易自旋波波导材料及其制备方法，简单可行，得到的YIG/稀土(Dy、Tm、Lu、Nd等)异质结薄膜相对于单一YIG薄膜，其上下表面传输的自旋波具有显著的非互易性，即YIG/稀土异质结薄膜的上下表面传播的自旋波幅值和峰位均发生了显著变化，如自旋波幅值减小，1GHz～3GHz微波激励下自旋波峰位发生移动。本发明自旋波波导材料的厚度与单层YIG薄膜相比，并未发生明显改变，仅在YIG表面覆盖一层纳米厚度的稀土薄膜，为非互易性自旋波波导材料的研究和制备提供了一种新方案，在自旋电子学、自旋波波导、自旋波逻辑器件、量子计算等众多领域有广泛的应用前景。
附图说明
图1为本发明提供的一种非互易自旋波波导材料的结构示意图；
图2为实施例1自旋波共振(SWR)法测试的YIG(300nm)/Dy中GGG/YIG和YIG/Dy界面的自旋波传输曲线(a)，以及实施例2YIG(300nm)/Tm中GGG/YIG和YIG/Tm界面的自旋波传输曲线(b)。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明技术方案进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
实施例1
一种非互易自旋波波导材料，包括GGG(钆镓石榴石)单晶基片，以及依次形成于基片之上的钇铁石榴石(YIG)单晶薄膜和Dy(镝)稀土薄膜(YIG/Dy异质结)。
上述材料的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1、以高纯度(高于99.99wt％)Fe2O3和Y2O3为原料，采用液相外延法，在GGG(钆镓石榴石)单晶基片上生长钇铁石榴石(YIG)单晶薄膜，得到钇铁石榴石(YIG)单晶基片；
1.1将高纯度Fe2O3、Y2O3和Bi2O3在1000℃下熔融，Bi2O3作为熔剂，充分搅拌，得到液相生长熔体；
1.2选取GGG(钆镓石榴石)单晶基片作为衬底，清洗基片：将钆镓石榴石基片在70～80℃的三氯乙烯中浸泡3～10min，然后在70～80℃的去离子水中浸泡3～10min；将上步处理后的基片在70～80℃的重铬酸钾、浓硫酸和水的混合液中浸洗10～15次，每次浸洗时间为1～2s，其中，所述混合液中重铬酸钾的质量浓度为18～20g/L，浓硫酸的摩尔浓度为10～15mol/L，然后在70～80℃的去离子水中浸泡2～8min，取出后在另一70～80℃的去离子水中浸泡3～10min；将质量比为1:1:1的磷酸钠、碳酸钠和氢氧化钾配制成溶质质量浓度为10～15g/L的混合碱液，将上步处理后的基片在70～80℃的配制的碱液中浸泡3～10min，然后在70～80℃的去离子水中浸泡3～10min；将上步处理后的基片放入室温下的体积百分含量为20～30％的氨水溶液中浸泡清洗3～10min，然后在室温去离子水中浸泡3～10min；将上步处理后的基片在异丙醇蒸汽冷凝回流条件下清洗3～10min；
1.3将清洗后的GGG单晶基片放入液相生长熔体中，在900℃温度下生长薄膜，生长完成后，清洗去除残留，即可得到亚铁磁YIG单晶薄膜；
步骤2、采用磁控溅射法在步骤1得到的钇铁石榴石单晶基片上生长Dy薄膜；具体地，以步骤1得到的钇铁石榴石单晶基片作为生长基片，在温度为500℃、Ar气流量为15sccm、背底真空度为4.1×10-4Pa、溅射功率为20W的条件下，采用磁控溅射法得到Dy薄膜；
步骤3、将步骤2得到的带Dy薄膜的钇铁石榴石单晶基片在500℃下退火0.5h，退火过程中，稀土Dy原子扩散进入YIG石榴石，得到YIG/Dy异质结材料，即为所述非互易自旋波波导材料。
实施例2
一种非互易自旋波波导材料，包括GGG(钆镓石榴石)单晶基片，以及依次形成于基片之上的钇铁石榴石(YIG)单晶薄膜和Tm(铥)稀土薄膜(YIG/Tm异质结)。
上述材料的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1、采用激光脉冲沉积方法，在GGG(钆镓石榴石)单晶基片上生长钇铁石榴石(YIG)单晶薄膜，得到钇铁石榴石(YIG)单晶基片；具体为：以固相反应法得到的Y3Fe5O12作为靶材，在脉冲频率为10Hz、氧分压为0.1Pa、基片温度为550℃的条件下，采用激光脉冲沉积法生长高品质YIG薄膜；
步骤2、采用磁控溅射法在步骤1得到的钇铁石榴石单晶基片上生长Tm(铥)薄膜；具体地，以步骤1得到的钇铁石榴石单晶基片作为生长基片，在温度为800℃、Ar气流量为10sccm、背底真空度为4.1×10-4Pa、溅射功率为30W的条件下，采用磁控溅射法得到Tm(铥)薄膜；
步骤3、将步骤2得到的带Tm薄膜的钇铁石榴石单晶基片在800℃下退火4h，退火过程中，稀土Tm原子扩散进入YIG石榴石，得到YIG/Tm异质结材料，即为所述非互易自旋波波导材料。
图1为本发明提供的一种非互易自旋波波导材料的结构示意图；磁性YIG薄膜上下表面传输的静磁表面波(MSSW)的幅值和峰位发生显著改变，表现出典型的自旋波传输非互易性。
图2为实施例1自旋波共振(SWR)法测试的YIG(300nm)/Dy(20nm)中GGG/YIG和YIG/Dy界面的自旋波传输曲线(a)，以及实施例2YIG(300nm)/Tm(20nm)中GGG/YIG和YIG/Tm界面的自旋波传输曲线(b)；扫频(1GHz－3GHz)得到磁性YIG薄膜上、下界面处的自旋波传输特性曲线，其中，虚线表示GGG/YIG界面的自旋波传输特性曲线，实线表示YIG/Dy(Tm)界面的自旋波传输特性曲线。由图2可知，在YIG/Dy(Tm)界面传输的自旋波幅度较GGG/YIG界面自旋波幅度明显减小，YIG/Dy减小了37％，YIG/Tm减小了52％；自旋波模式峰位处的共振频率移动了31.80MHz(YIG/Dy)和0.84MHz(YIG/Tm)，表明实施例得到的自旋波波导材料具有很强的非互易自旋波传输特性。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (6)

1.一种非互易自旋波波导材料，其特征在于，包括GGG单晶基片，以及依次形成于基片之上的钇铁石榴石单晶薄膜和稀土薄膜；所述稀土薄膜为Dy、Tm、Lu或Nd，厚度为1nm～50nm；所述钇铁石榴石单晶薄膜的厚度为100nm～10μm。
2.根据权利要求1所述的非互易自旋波波导材料，其特征在于，所述非互易自旋波波导材料是通过在钇铁石榴石单晶薄膜表面生长纳米厚度的稀土薄膜，并在500～800℃下退火形成的。
3.根据权利要求1所述的非互易自旋波波导材料，其特征在于，所述钇铁石榴石单晶薄膜采用液相外延或者真空气相沉积方法生长于所述GGG单晶基片表面；所述稀土薄膜采用磁控溅射法生长于所述钇铁石榴石单晶薄膜表面。
4.一种权利要求1所述非互易自旋波波导材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、以Fe2O3和Y2O3为原料，采用液相外延法或真空气相沉积方法，在GGG单晶基片上生长钇铁石榴石单晶薄膜，得到钇铁石榴石单晶基片；
步骤2、采用磁控溅射法在步骤1得到的钇铁石榴石单晶基片上生长厚度为1nm～50nm的稀土薄膜；
步骤3、将步骤2得到的带稀土薄膜的钇铁石榴石单晶基片在500～800℃下退火，即可得到所述非互易自旋波波导材料。
5.根据权利要求4所述的非互易自旋波波导材料的制备方法，其特征在于，步骤1采用液相外延法生长YIG薄膜的过程为：将高纯度Fe2O3、Y2O3和Bi2O3在1000～1100℃下熔融，Bi2O3作为熔剂，充分搅拌，得到液相生长熔体；采用重铬酸钾和浓硫酸的混合液、去离子水、NaOH和NaHCO3混合液、去离子水、异丙醇依次清洗GGG单晶基片；将清洗后的GGG单晶基片放入液相生长熔体中，在900～980℃温度下生长薄膜，生长完成后，清洗去除残留，即可得到YIG单晶薄膜。
6.根据权利要求4所述的非互易自旋波波导材料的制备方法，其特征在于，步骤2具体过程为：以步骤1得到的钇铁石榴石单晶基片作为生长基片，在温度为500～800℃、Ar气流量为10～15sccm、背底真空度为4.1×10-4Pa、溅射功率为20～30W的条件下，采用磁控溅射法得到稀土薄膜。
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