CN111613662B - 偏压诱导共线反铁磁材料产生自旋极化电流的调控方法 - Google Patents

偏压诱导共线反铁磁材料产生自旋极化电流的调控方法 Download PDF

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Abstract

本发明的偏压诱导共线反铁磁材料产生自旋极化电流及其调控方法，属于反铁磁材料技术领域。具体的，通过对共线反铁磁材料NiO特定晶向成膜后制成器件，以实现NiO[111]方向的特定晶向施加偏压，打破磁性亚点阵的对称性，从而在NiO中产生高达80％的自旋极化的电流，并且自旋极化电流的极化率的高低和偏振方向可以通过施加偏压进行调控。进一步的通过调控相应的偏压施加数据，能够保证在界面无序情况下，仍能获得高达63％的自旋极化电流，可见该方法具有很强的对界面结构的抗干扰性以及实际应用中的可行性。

Description

偏压诱导共线反铁磁材料产生自旋极化电流的调控方法
技术领域：
本发明属于反铁磁技术领域，具体涉及一种偏压诱导共线反铁磁材料产生自旋极化电流及其调控方法。
背景技术：
随着信息技术的发展，器件的尺寸越来越小，速度越来越快，能耗也越来越低。传统的电子利用电子的电荷属性从而产生焦耳热的问题，而自旋电子学利用了电子的自旋属性，并且自旋电子器件增加了电子自旋的维度。自旋电子器件操控涉及到电子的自旋，其器件拥有更低的能耗和运行速度。而反铁磁材料与铁磁材料相比，翻转速度更快，没有杂散场以及对外磁场不敏感几年来受到广泛的关注。反铁磁自旋电子学发展促进了新型电子器件的设计和应用。但由于反铁磁材料的磁性亚点阵的对称性使其不具有宏观磁性，无法产生自旋极化电流，从而限制了反铁磁材料的研究和应用。所以在反铁磁材料中产生自旋极化的电流对于反铁磁材料的实际应用具有重要的意义。
发明内容：
本发明的目的是克服上述现有技术存在的不足，提供一种偏压诱导共线反铁磁材料产生自旋极化电流及其调控方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
偏压诱导共线反铁磁材料产生自旋极化电流及其调控方法，包括以下步骤：
(1)取共线反铁磁材料NiO，制备NiO(111)薄膜，并以其作为势垒层，两端连接金属电极，制得NiO(111)薄膜-器件；
(2)向NiO(111)薄膜-器件施加偏压，施加偏压为-1.7～+1.7V，获得能够产生自旋极化电流的NiO(111)薄膜-器件，经检测，通过NiO(111)薄膜-器件的电流具有自旋极化属性，其自旋极化率达到-13％～80％。
所述的步骤(1)中，共线反铁磁材料NiO属于类G型共线反铁磁材料。
所述的步骤(1)中，金属电极为Au电极、Al电极、Cu电极，或Pt电极等。
所述的步骤(1)中，NiO(111)薄膜层厚度为2n+1层原子层，包括n+1层镍原子层和n层氧原子层，交替排列，所述的n为整数。
所述的步骤(1)中，NiO(111)薄膜层厚度为11层原子层，包括6层镍原子层和5层氧原子层，交替排列。
所述的步骤(2)中，通过向共线反铁磁材料NiO(111)薄膜-器件施压，能够保证施压的方向为NiO的[111]晶向。
所述的步骤(2)中，施加偏压为-1.7～+1.7V。
所述的步骤(2)中，通过向共线反铁磁材料NiO(111)薄膜-器件施压以产生自选极化电流，通过调整施加的偏压为-1.7～+1.7V，以调控产生的自旋极化电流的自旋极化率在-13％～80％范围。
所述的步骤(2)中，对NiO(111)薄膜-器件界面进行无序化处理，具体将NiO界面中25％的Ni原子被金属原子取代，获得界面无序的器件，对界面无序的器件施加偏压，施压范围为 -1.2～+1.2V，经检测，所述的界面无序结构的器件的电流的自旋极化率达到0～63％。
所述的步骤(2)中，金属原子为Au、Al、Cu或Pt原子等。
所述的步骤(2)中，对界面无序的器件的施压范围为-1.0～+1.0V。
上述应用结果说明：在实际制备器件中产生高自旋极化率是可行的。
所述的偏压诱导共线反铁磁材料产生自旋极化电流及其调控方法的应用，具体用于A 型，C型或E型共线反铁磁材料产生自旋极化电流，包括如下步骤：
(1)以A型，C型或E型共线反铁磁材料的[001]晶向，[110]晶向或[112]晶向成膜，制备 (001)薄膜、(110)薄膜或(112)薄膜，作为势垒层，两端连接金属电极，制得(001)薄膜-器件、 (110)薄膜-器件或(112)薄膜-器件；其中：
当为A型共线反铁磁材料时，制备(001)薄膜，相应的器件为(001)薄膜-器件；
当为C型共线反铁磁材料时，制备(110)薄膜，相应的器件为(110)薄膜-器件；
当为E型共线反铁磁材料时，制备(112)薄膜，相应的器件为(112)薄膜-器件；
(2)向(001)薄膜-器件、(110)薄膜-器件或(112)薄膜-器件施加偏压，以获得产生自旋极化电流的(001)薄膜-器件、(110)薄膜-器件或(112)薄膜-器件。
所述的步骤(1)中，在以A型，C型或E型共线反铁磁材料[001]晶向，[110]晶向或[112] 晶向成膜制成器件的基础上，通过向器件施压，能够保证施压方向相应为[001]晶向，[110]晶向或[112]晶向。
本发明通过在共线反铁磁材料的特定方向施加偏压，以打破磁性亚点阵的对称性，当器件处于偏压下，其不同位置对应的化学势的高度不同，如果不同磁性亚点阵处于不同的化学势中，则可以通过对于器件施加偏压打破磁性亚点阵的对称性，从而实现在共线反铁磁材料中产生自旋极化的电流。
本发明的有益效果：
(1)本发明的偏压诱导共线反铁磁材料产生自旋极化电流及其调控方法着重研究了对于NiO制成的器件，进行偏压施加的方向与程度调控，以获得高达80％的自旋极化率，并且在界面无序的条件下同样能够获得高达63％的自旋极化率，保证该方法获得的NiO制成的器件的界面结构的抗干扰性以及实际应用中的可行性。
(2)通过实现在共线反铁磁材料中获得自旋极化电流，可以用来读取反铁磁的磁性状态，促进反铁磁类器件的应用；并且在反铁磁半导体或绝缘体中产生的自旋极化的电流可以用来向半导体中注入自旋流，使自旋电子学与半导体工业相结合，具有极大的推广性。
附图说明：
图1为本发明实施例1的四种类型的共线反铁磁材料的磁结构示意图；
图2为本发明实施例2的NiO共线反铁磁材料的磁结构示意图；
图3为本发明实施例2的Au/NiO/Au器件的模型和磁结构示意图；
图4为本发明实施例2的不同偏压下通过NiO后的电流的自旋极化率曲线图；
图5为本发明实施例2的不同偏压下界面无序结构的电流的自旋极化率曲线图。
具体实施方式：
下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
偏压诱导共线反铁磁材料产生自旋极化电流及其调控方法，包括以下步骤：
共线反铁磁材料偏压施加方向研究：
共线反铁磁材料的磁晶格类型主要有A型，C型，G型和E型，四种类型的共线反铁磁材料的磁结构示意图如图1所示。对于A型反铁磁材料，如果在其[001]方向上施加偏压(在垂直于偏压方向的晶面上，不同晶面间额磁性元素层之间为反铁磁耦合，在同一晶面内则为铁磁性耦合)，由于沿着偏压方向，不同的磁性亚点阵处于不同的化学势高度，从而可以打破磁性亚点阵的对称性，进而产生自旋极化的电流。通过同样的分析方法可得到，对于C型共线反铁磁材料则需要在[110]方向上施加偏压，对于G型共线反铁磁材料则需要在[111]方向上施加偏压，而对于E型共线反铁磁材料则需要在[112]方向上施加偏压。
实施例2
偏压诱导共线反铁磁材料产生自旋极化电流及其调控方法，包括以下步骤：
步骤一：NiO的磁晶格的结构如图2所示，其结构类似于G型共线反铁磁材料。所以对于NiO施加偏压的方向为[111]方向。通过沿NiO[111]方向建立相应的器件模型，Au/NiO/Au 结构器件的模型和磁结构示意图如图3所示。
步骤二：通过在[111]方向的NiO连接Au电极，并施加偏压，测试计算-1.7～+1.7V的不同偏压下通过NiO后电流的自旋极化率曲线图如图4所示，获得的自旋极化率随偏压变化的数据如下表1所示。确定偏压对自旋极化率的大小和方向的影响。
由图4可以看出：通过NiO的自旋极化的电流具有高的自旋极化率，并且自旋极化电流的极化率的高低和偏振方向可以通过施加偏压进行调控。
进一步的，并且我们确定了实际情况下界面的无序对于器件性能的影响，对获得的 Au/NiO/Au结构器件的界面进行无序化处理，在界面Ni有25％被Au取代的基础上，以图3为例，取代形式为Ni1和Ni6层的界面镍原子层中25％Ni原子被Au原子取代，在-1.2～+1.2V的不同偏压下，获得界面无序结构器件的电流的自旋极化率曲线图如图5所示，具体数据如表2所示，从图5及表2可以看出，在界面无序的情况下，产生的自旋电流仍具有较高的自旋极化率。由此可见，本发明的调控方法在共线反铁磁材料中能够产生具有自旋极化的电流，并且具有很强的对界面结构的抗干扰性以及实际应用中的可行性。
通过施加偏压，获得的具有特定自旋极化率的反铁磁材料用于读取反铁磁的磁性状态，以促进反铁磁类器件的应用；并且在反铁磁半导体或绝缘体中产生的自旋极化的电流可以用来向半导体中注入自旋流，使自旋电子学与半导体工业相结合。
表1
Figure BDA0002510595940000051
表2
Figure BDA0002510595940000061

Claims (8)

1.偏压诱导共线反铁磁材料产生自旋极化电流的调控方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)取共线反铁磁材料NiO，制备NiO(111)薄膜，并以其作为势垒层，两端连接金属电极，制得NiO(111)薄膜-器件；
(2)向NiO(111)薄膜-器件施加偏压，施加偏压为-1.7 ~ +1.7V，获得能够产生自旋极化电流的NiO(111)薄膜-器件，经检测，通过NiO(111)薄膜-器件的电流具有自旋极化属性，其自旋极化率达到-13% ~ 80%。
2.根据权利要求1所述的偏压诱导共线反铁磁材料产生自旋极化电流的调控方法，其特征在于，所述的步骤(1)中，共线反铁磁材料NiO属于类G型共线反铁磁材料。
3.根据权利要求1所述的偏压诱导共线反铁磁材料产生自旋极化电流的调控方法，其特征在于，所述的步骤(1)中，金属电极为Au电极、Al电极、Cu电极，或Pt电极。
4.根据权利要求1所述的偏压诱导共线反铁磁材料产生自旋极化电流的调控方法，其特征在于，所述的步骤(1)中，NiO(111)薄膜层厚度为2n+1个原子层，包括n+1层镍原子层和n层氧原子层交替排列，其中n为整数。
5.根据权利要求1所述的偏压诱导共线反铁磁材料产生自旋极化电流的调控方法，其特征在于，所述的步骤(2)中，对NiO(111)薄膜-器件界面进行无序化处理，具体将NiO界面中25%的Ni原子被金属原子取代，获得界面无序的器件，对界面无序的器件施加偏压，施压范围为-1.2 ~ +1.2V，经检测，所述的界面无序结构的器件的电流的自旋极化率达到0 ~63%。
6.根据权利要求5所述的偏压诱导共线反铁磁材料产生自旋极化电流的调控方法，其特征在于，所述的步骤(2)中，金属原子为Au、Al、Cu或Pt原子。
7.根据权利要求5所述的偏压诱导共线反铁磁材料产生自旋极化电流的调控方法，其特征在于，所述的步骤(2)中，对界面无序的器件的施压范围为-1.0 ~ +1.0V。
8.权利要求1所述的偏压诱导共线反铁磁材料产生自旋极化电流的调控方法的应用，其特征在于，具体用于A型，C型或E型共线反铁磁材料产生自旋极化电流，包括如下步骤：
(1)以A型，C型或E型共线反铁磁材料的[001]晶向，[110]晶向或[112]晶向成膜，制备(001)薄膜、 (110)薄膜或 (112)薄膜，作为势垒层，两端连接金属电极，制得 (001)薄膜-器件、 (110)薄膜-器件或 (112)薄膜-器件；其中：
当为A型共线反铁磁材料时，制备(001)薄膜，相应的器件为(001)薄膜-器件；
当为C型共线反铁磁材料时，制备(110)薄膜，相应的器件为(110)薄膜-器件；
当为E型共线反铁磁材料时，制备(112)薄膜，相应的器件为(112)薄膜-器件；
(2)向(001)薄膜-器件、(110)薄膜-器件或 (112)薄膜-器件施加偏压，以获得产生自旋极化电流的(001)薄膜-器件、(110)薄膜-器件或(112)薄膜-器件。
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