CN111883641B - 一种室温热激发自旋极化电流源及其实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种室温热激发自旋极化电流源及其实现方法。本发明通过在拓扑半金属中引入温度梯度，实现热激发自旋极化电流的产生和监测；通过改变加热端的位置来改变电子的热扩散方向，能够实现对自旋极化方向的有效调控；通过改变栅极电压的方式调节电子的自旋极化率；本发明能够稳定工作到室温，解决了传统自旋极化电流源工作温度偏低的问题；纳米尺寸的器件结构和简单便捷的制备工艺也方便未来自旋电子学器件的大规模集成；而且不同于传统电荷流激发自旋流的方法，热激发自旋极化电流源利用温度差来控制热流、电荷流和自旋流，能够将电子元器件集成中产生的热量进行回收循环使用，是一种低能耗高功效的环保型器件。
Description
技术领域
本发明涉及自旋极化电流源技术，具体涉及一种室温热激发自旋极化电流源及其实现方法。
背景技术
电子具有电荷和自旋两个自由度。传统的电子学器件主要利用电场来控制并使用电子的电荷特性，并不考虑自旋。随着微电子技术的迅猛发展,半导体芯片的集成度愈来愈高，传统电子器件面临着两大问题，一方面是芯片的功耗及其相关的散热问题，另一方面是由于器件尺度减小而带来的量子效应问题。为了解决这些问题，人们提出了很多新的思路和方法，其中自旋电子学是最具前景的一个。自旋电子学利用的是电子的自旋自由度实现信息计算和存储。与基于电荷调控的传统电子学器件相比，自旋电子学器件具有功耗低、速度快、非易失性等诸多优点。
尽管自旋电子学器件具有很多潜在优势，但同时也面临着很多问题，其中一个关键问题就是自旋极化电子的产生和注入。电子的自旋具有“朝上”和“朝下”两种可能的取向。所谓自旋极化，就是体系中两种自旋取向的电子数目不同，整体表现出净自旋流。在自旋电子学器件实现广泛应用之前，自旋极化电流源的构造就显得尤为重要。结合未来大规模集成电路的需求，可投入实际应用的自旋极化电流源必须具备以下特点：(1)室温下可稳定工作；(2)自旋调控方式简单易行；(3)具有纳米尺寸，制作工艺相对简单经济；(4)具备易操作的自旋监测手段。
目前提出的自旋极化电流源大多采用直接电控的方式，实现操控自旋极化流的目的。其中一种比较常见的就是以铁磁金属为自旋极化的电流源：当电流通过铁磁体时，将获得与铁磁体磁化方向平行的自旋角动量，形成自旋极化的电流。此外，还有一种基于“自旋霍尔效应”的自旋流电源的构思：在具有较强自旋-轨道耦合作用的材料中，施加纵向电场，自旋朝上和朝下的电子会分别沿横向朝相反的方向运动，在横向的两个表面处产生不同取向自旋的电子积累，从而形成表面自旋极化电子流。但遗憾的是，结合具体的自旋电子材料，这些电控自旋极化电流源其中大部分还达不到实际应用的要求，因为还存在例如较低的工作温度(室温下难以稳定存在)、器件尺寸大、难以合成、自旋极化率低以及较差的可控性等缺点。
近年来，拓扑材料的兴起为自旋电子学器件的发展注入了新的活力。以拓扑半金属为例，除了拥有满足狄拉克型线性色散关系的体态外，还具有自旋螺旋型的(spin-helical)拓扑表面态，即表面态中的电子具有自旋-动量锁定的物理特性。中国专利申请“一种拓扑场效应晶体管及其实现方法”(CN110085660A)中就公开了电场(电流)驱动下拓扑半金属的表面态电子自旋极化，但这种电子自旋不能在室温下存在。一方面，该专利中使用的是拓扑半金属纳米线，受表面限制效应的影响，纳米线的拓扑表面态不再是理想的费米弧形，而是会退化成一系列的量子化子能带。同时，纳米线的弯曲表面形貌还会造成其表面态的能带扭曲，偏离理想的拓扑结构，相应的拓扑保护性还会被部分削弱。因此随着温度的升高，纳米线中，由电子-电子相互作用(或电子-声子相互作用)导致的电子非弹性散射增多，退相干效应增强，表面态退化，相应产生的自旋极化会被显著削弱。另一方面，在这种电场诱发自旋极化的结构中，电流的热效应往往不能忽略。衍生的热流与电流并行，还会干扰本身的电场，削弱自旋极化信号的强度。基于这两方面的原因，拓扑半金属纳米线的电控自旋极化信号只能稳定维持在低温(低于100K)环境中，室温300K中很难存在。
此外，磁掺杂和磁近邻效应也给拓扑材料中电子自旋极化提供了一种新的途径。中国专利申请“一种产生自旋极化的石墨烯器件及其制备方法”(CN106449968B)公开了利用反铁磁近邻在石墨烯中产生自旋极化电子的方法，但遗憾的是，产生的电子自旋极化信号也很难在室温下稳定存在，而且自旋极化效率受界面影响比较大，受制备工艺的制约，近邻结构中界面可控性较差，导致这种基于磁近邻的电子自旋极化很难投诸实际应用。
因此室温下产生稳定且可控的电子自旋极化一直是本领域的技术难题。
发明内容
针对以上现有技术中存在的问题，本发明提出了一种室温热激发自旋极化电流源及其实现方法，解决了现有传统电控自旋极化电流源技术的环境温度要求苛刻、可控性差、器件尺寸大的问题，实现了室温稳定工作、便捷调控的目的。
本发明的一个目的在于提出一种室温热激发自旋极化电流源。
本发明的室温热激发自旋极化电流源包括：衬底、拓扑半金属、加热装置、自旋探测电极、栅极、调控电压源和磁场；其中，衬底包括下层的导电层和上层的绝缘介电质层；在绝缘介电质层上方转移拓扑半金属，拓扑半金属与衬底互相平行，拓扑半金属的表面平整光滑，形状为纳米片，纳米片的宽度大于电子的平均自由程；沿着拓扑半金属长边方向，在拓扑半金属的一端设置加热装置；沿着拓扑半金属的长度方向制备两个自旋探测电极，一个自旋探测电极为磁性金属电极，另一个自旋探测电极为普通金属电极，磁性金属电极的易磁化方向位于拓扑半金属面内且垂直于其长边方向；在衬底的背面形成栅极；栅极连接至调控电压源；通过加热装置对拓扑半金属的一端加热，热效应导致加热端的拓扑半金属的温度高于未加热的一端，从而加热端形成高温区，另一端形成低温区，即沿着拓扑半金属的长边方向形成空间温度梯度；由于塞贝克效应，温度梯度会驱动拓扑半金属中的电子发生定向扩散进而产生空间电流或电荷的积累：高温区的电子浓度较高，并且高温区的电子拥有更高的能量和速度，从而电子会沿着拓扑半金属的长度方向从高温区向低温区扩散；拓扑半金属的表面态具有自旋-动量锁定特性，表面态电子的定向扩散导致在拓扑半金属中产生自旋极化电流；形成的自旋极化电流I正比于拓扑半金属的塞贝克系数、温度梯度和电子的自旋极化率，即
S为拓扑半金属的塞贝克系数，
为温度梯度，P为电子的自旋极化率，表面态的相对导电占比越大，电子的自旋极化率P越大；自旋极化方向位于拓扑半金属面内且垂直于其温度梯度方向，即垂直于拓扑半金属长边方向；确定的电子扩散方向，对应一个确定的自旋极化方向；当电子扩散方向反向时，自旋极化方向也会随之反向；因此通过改变加热装置在拓扑半金属上的位置，实现高温区与低温区的空间位置交换，即改变温度梯度方向，从而改变电子扩散方向以及自旋极化方向；温度梯度越大，自旋极化电流越强；同时，衬底与拓扑半金属等效于一个平行板电容器，分别位于两侧的衬底的导电层和拓扑半金属相当于两个极板，位于中间的衬底的绝缘介电质层相当于介电层；通过调控电压源向栅极施加栅极电压，平行板电容器的两个极板之间产生电势差，形成的电场垂直于拓扑半金属的表面，电子在电场的作用下发生运动，从而在温度梯度一定时，通过施加栅极电压调节拓扑半金属的电子浓度，进而调控其表面态和体态的相对导电占比；表面态的相对导电占比增大，电子的自旋极化率增大，相应的自旋极化电流也会增强；施加垂直于拓扑半金属长边的面内磁场，通过自旋探测电极连接至电压表，检测热扩散导致的自旋极化电流；拓扑半金属采用宽度大于电子的平均自由程的纳米片，表面态不会受到量子限制效应的影响，从而能够保持理想的自旋螺旋性费米弧结构，理想费米弧形表面态本身的拓扑保护性很强，对于温度变化具有更强的拓扑稳定性；并且，高低温区之间的自旋产生仅来源于温度差引起的热扩散，并不存在外电场直接驱动，因此避免了热流与电流并行驱动之间的干扰，使得自旋极化电流稳定存在，从而在拓扑半金属中的热扩散导致的自旋极化电流在室温下稳定存在，实现室温下的热激发自旋极化电流源。
拓扑半金属的形状为纳米片，纳米片的宽度为1μm～10μm，电子的平均自由程<1μm，从而纳米片的宽度大于电子的平均自由程。拓扑半金属的长度为5μm～50μm，厚度为50nm～300nm。
衬底的导电层采用导电材料，比如为高掺硅、蓝宝石等；绝缘介电质层采用氧化物，厚度为250～300nm。
加热装置采用加热电阻丝连接至直流电源，或者采用一对加热回路电极和直流电源；沿着拓扑半金属长边方向，在拓扑半金属的一端制备一对加热回路电极，构成加热端，一对加热回路电极通过导线连接至直流电源，形成闭合回路。加热回路电极采用普通金属材料；直流电源提供的电流为0.1mA～10mA。
一个自旋探测电极为磁性金属电极，采用铁镍合金或钴等，另一个自旋探测电极为普通金属电极，采用普通金属材料。
栅极连接调控电压源，用来调节拓扑半金属的电子浓度，进而改变拓扑半金属费米能级的位置，达到调控其表面态和体态的相对导电占比的目的。栅极电压对拓扑半金属中电子浓度即费米能级的调节能力决定于其等效的平行板电容器的电容容量。由平行板电容容量的公式C＝εA/4πkd，C为平行板电容器的电容容量，ε为绝缘介电质层的介电常数，A为极板的正对面积，k为静电力常量，d为绝缘介电质层的厚度，从而对于同一种绝缘介电质层的材料，其厚度越薄，平行板电容容量越大，栅极电压对电子浓度和费米能级的调节能力也越强。
本发明的另一个目的在于提出一种室温热激发自旋极化电流源的实现方法。
本发明的室温热激发自旋极化电流源的实现方法，包括以下步骤：
1)提供表面清洁的衬底，衬底包括下层的导电层和上层的绝缘介电质层；
2)采用化学气相沉积法CVD合成拓扑半金属，通过控制加热温度、载气流量和生长衬底种类，在管式炉中生长出形状为纳米片的拓扑半金属；
3)在绝缘介电质层上方转移拓扑半金属，拓扑半金属与衬底互相平行，拓扑半金属的宽度大于电子的平均自由程；
4)沿着拓扑半金属长边方向，在拓扑半金属的一端设置加热装置；
5)沿着拓扑半金属的长度方向制备两个自旋探测电极，一个自旋探测电极为磁性金属电极，另一个自旋探测电极为普通金属电极，磁性金属电极的易磁化方向位于拓扑半金属面内且垂直于其长边方向；
6)在衬底的背面形成栅极；栅极连接至调控电压源；
7)通过加热装置对拓扑半金属的一端加热，热效应导致加热端的拓扑半金属的温度高于未加热的一端，从而加热端形成高温区，另一端形成低温区，即沿着拓扑半金属的长边方向形成空间温度梯度；
8)由于塞贝克效应，温度梯度会驱动拓扑半金属中的电子发生定向扩散进而产生空间电流或电荷的积累：高温区的电子浓度较高，并且高温区的电子拥有更高的能量和速度，从而电子会沿着拓扑半金属的长度方向从高温区向低温区扩散；
9)拓扑半金属的表面态具有自旋-动量锁定特性，表面态电子的定向扩散导致在拓扑半金属中产生自旋极化电流；形成的自旋极化电流I正比于拓扑半金属的塞贝克系数、温度梯度和电子的自旋极化率，即
S为拓扑半金属的塞贝克系数，
为温度梯度，P为电子的自旋极化率，表面态的相对导电占比越大，电子的自旋极化率P越大；自旋极化方向位于拓扑半金属面内且垂直于其温度梯度方向，即垂直于拓扑半金属长边方向；确定的电子扩散方向，对应一个确定的自旋极化方向；当电子扩散方向反向时，自旋极化方向也会随之反向；因此通过改变加热装置在拓扑半金属上的位置，实现高温区与低温区的空间位置交换，即改变温度梯度方向，从而改变电子扩散方向以及自旋极化方向；温度梯度越大，自旋极化电流越强；
10)同时，衬底与拓扑半金属等效于一个平行板电容器，分别位于两侧的衬底的导电层和拓扑半金属相当于两个极板，位于中间的衬底的绝缘介电质层相当于介电层；通过调控电压源向栅极施加栅极电压，平行板电容器的两个极板之间产生电势差，形成的电场垂直于拓扑半金属的表面，电子在电场的作用下发生运动，从而在温度梯度一定时，通过施加栅极电压调节拓扑半金属的电子浓度，进而调控其表面态和体态的相对导电占比；表面态的相对导电占比增大，电子的自旋极化率增大，相应的自旋极化电流也会增强；
11)施加垂直于拓扑半金属长边的面内磁场，通过自旋探测电极连接至电压表，检测热扩散导致的自旋极化电流；
12)拓扑半金属采用宽度大于电子的平均自由程的纳米片，表面态不会受到量子限制效应的影响，从而能够保持理想的自旋螺旋性费米弧结构，理想费米弧形表面态本身的拓扑保护性很强，对于温度变化具有更强的拓扑稳定性；并且，高低温区之间的自旋产生仅来源于温度差引起的热扩散，并不存在外电场直接驱动，从而避免了热流与电流并行驱动之间的干扰，使得自旋极化电流稳定存在，因此在拓扑半金属中的热扩散导致的自旋极化电流在室温下稳定存在，实现室温下的热激发自旋极化电流源。
其中，在步骤2)中，表面镀有3～5nm Au的硅片作为生长衬底，选择流量为18～22sccm的氩气作为载气，源材料与生长衬底的距离为13～14厘米；生长温度为650℃～700℃，升温时间为15～20min，维持时间为10～15min。
在步骤9)中，自旋极化电流来源于拓扑半金属表面态电子的自旋极化，而在拓扑半金属中存在表面态和体态两个并联的导电通道，体态并不产生电子的自旋极化。可通过调节栅极电压改变拓扑半金属的费米能级的方式，来改变拓扑半金属中表面态的相对导电占比，实现对电子的自旋极化率的调节。这里基于拓扑半金属表面态的热激发自旋极化电流源可稳定工作到室温。
在步骤10)中，栅极电压对拓扑半金属中电子浓度(或费米能级)的调节能力决定于其等价的平行板电容器的电容容量。由平行板电容容量的公式C＝εA/4πkd，C为平行板电容器的电容容量，ε为绝缘介电质层的介电常数，A为极板的正对面积，k为静电力常量，d为绝缘介电质层的厚度，可以看出对于同一种绝缘介电质层的材料，其厚度越薄，平行板电容容量越大，栅极电压对电子浓度和费米能级的调节能力也越强。
在步骤11)中，两个自旋探测电极即磁性金属电极和普通金属电极之间的电压由拓扑半金属的电子的自旋极化方向和磁性金属电极的磁化方向的相对取向决定；当电子的自旋极化方向与磁性金属电极的磁化方向平行时，对应的自旋探测电极之间的电压高；当电子的自旋极化方向与磁性金属电极的磁化方向反平行时，对应的自旋探测电极之间的电压低。而磁性金属电极的磁化方向与所加外磁场的方向一致，当磁场方向发生反向时，对应的磁性金属电极的磁化方向也会发生翻转。因此通过观察正负磁场下(这里的正负代表相反的磁场方向)高低电压态的变化，判断自旋极化电流的有无以及自旋极化的方向。
本发明的优点：
本发明基于拓扑半金属提供了一种新的实现自旋极化电流源的方式，即通过在拓扑半金属中引入温度梯度，实现热激发自旋极化电流的产生和监测；通过改变加热端的位置来改变电子的热扩散方向，能够实现对自旋极化方向的有效调控；通过改变栅极电压的方式可调节拓扑表面态的导电占比和电子的自旋极化率；这种基于拓扑半金属的热激发自旋极化电流源能够稳定工作到室温，解决了传统自旋极化电流源工作温度偏低(难以在室温下工作)的问题；纳米尺寸的器件结构和简单便捷的制备工艺也方便未来自旋电子学器件的大规模集成；而且不同于传统电荷流激发自旋流的方法，热激发自旋极化电流源利用温度差来控制热流、电荷流和自旋流，能够将电子元器件集成中产生的热量进行回收循环使用，是一种低能耗高功效的环保型器件。
附图说明
图1为本发明的基于拓扑半金属的室温热激发自旋极化电流源的自旋极化原理图，其中，(a)～(b)分别展示了不同温度梯度方向驱动的电子自旋极化电流，图中黑色实心圆代表电子，圆上的箭头代表自旋的方向，H为高温区，C为低温区，H下方为加热装置；
图2为本发明的基于拓扑半金属的室温热激发自旋极化电流源的电路示意图，其中，(a)和(b)分别为实施例一和实施例二的电路示意图，图中HL表示加热回路；
图3为根据本发明的基于拓扑半金属的室温热激发自旋极化电流源得到的自旋探测结果，其中，(a)～(b)分别为实施例一和实施例二中，不加栅极电压时，环境温度为1.5K时的电压回滞曲线图，(c)为实施例二中，施加栅极电压时的电压回滞曲线图，(d)为实施例一中，环境温度为300K时的电压回滞曲线图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
加热装置采用采用一对加热回路电极，连接至直流电源。沿着拓扑半金属长边方向分布的一对加热回路电极和两个自旋探测电极中，要求一对加热回路电极相邻且位于拓扑半金属的一端，构成加热端，两个自旋探测电极沿着拓扑半金属长边方向分布；一对加热回路电极与两个自旋探测电极排列顺序不限，即可交换在拓扑半金属上的相对位置。当交换这两者的相对空间位置(即改变温度梯度方向
)后，拓扑半金属中的电子自旋极化方向也会反向，如图1所示。
实施例一
如图2所示，本实施例的室温热激发自旋极化电流源包括：衬底、拓扑半金属、一对加热回路电极、两个自旋探测电极、栅极、调控电压源和磁场；其中，衬底包括下层的导电层和上层的绝缘介电质层；在绝缘介电质层上方转移拓扑半金属，拓扑半金属的表面平整光滑，形状为纳米片，拓扑半金属的宽度为1μm～10μm；沿着拓扑半金属长边方向，在拓扑半金属的一端设置一对加热回路电极，并通过导线连接至直流电源，构成加热回路HL，沿着拓扑半金属的长度方向制备两个自旋探测电极，一个自旋探测电极为磁性金属电极，另一个自旋探测电极为普通金属电极，沿着拓扑半金属的长度方向从左至右依次为一对加热回路电极、磁性金属电极和普通金属电极，在衬底背面形成栅极，栅极连接至调控电压源Vg，连接直流电源负端的加热回路电极接地，构成回路；如图2(a)所示，磁性金属电极的易磁化方向位于拓扑半金属面内且垂直于其长边方向；通过直流电源对加热回路电极供电，从而对拓扑半金属的一端加热，热效应导致加热端的拓扑半金属的温度高于未加热的一端，从而加热端形成高温区H，另一端形成低温区C，即沿着拓扑半金属的长边方向形成空间温度梯度
由于塞贝克效应，温度梯度会驱动拓扑半金属中的电子发生定向扩散进而产生空间电流或电荷的积累：高温区电子浓度较高，并且高温区的电子拥有更高的能量和速度，从而电子会沿着拓扑半金属的长度方向从高温区向低温区扩散；电子的定向扩散导致在拓扑半金属中产生自旋极化电流，自旋极化方向位于拓扑半金属面内且垂直于其温度梯度方向，即拓扑半金属长边方向，如图1(a)所示。确定的电子扩散方向，对应一个确定的自旋极化方向。形成的自旋极化电流I正比于拓扑半金属的塞贝克系数、温度梯度和电子的自旋极化率，即
S为拓扑半金属的塞贝克系数，
为温度梯度，P为电子的自旋极化率，表面态导电占比越大，电子的自旋极化率P越大。
在本实施例中，拓扑半金属采用Cd3As2的纳米片，厚度为100nm；衬底导电层为高掺p型硅，绝缘层为285nm厚的SiO2。普通金属电极采用Au电极，磁性金属电极采用Co电极，这里Co电极的长度远远大于宽度，以保证其易磁化轴方向在纳米片面内且沿着Co条的长边方向。图2中黑色点金属电极代表磁性金属Co电极，黑色斜线金属电极代表普通金属Au电极。如图2(a)，在本实施例中，沿着拓扑半金属的长度方向从左至右依次为一对加热回路电极、磁性金属电极和普通金属电极。电流热效应导致拓扑半金属的右端为成高温区H，左端为低温区C。施加垂直于拓扑半金属长边的面内磁场B，探测到磁性金属电极和普通金属电极之间的电压Vs。
本实施例的室温热激发自旋极化电流源的实现方法，包括以下步骤：
1)提供表面清洁的衬底，衬底包括下层的导电层和上层的绝缘介电质层：
导电层采用高浓度p型掺杂的硅片，硅片表面有285nm厚的氧化硅绝缘层；绝缘层上镀有Ti/Au坐标标记。
2)采用化学气相沉积法CVD合成拓扑半金属：将高纯度的多晶Cd3As2粉末作为生长所需的源材料放于石英管式炉的中间位置，表面镀有5nm Au的硅衬底放于气路下游收集产物；先用氩气对石英管洗气三次，排尽管内残余的氧气，然后持续加热石英管15min至管温由室温升到700℃，再在20sccm的氩气环境下，将管式炉的温度保持在700℃10min，进行样品生长；最后停止加热，管式炉自然冷却至室温。通过控制生长温度，氩气流量、衬底位置等因素，可控制纳米材料的具体形貌，比如纳米片和纳米条带。这种办法生长出的纳米片具有单晶性好、电子浓度低(n～1017cm-3)、迁移率高(～104cm2·V-1·s-1)等诸多优势。
3)将生长好的拓扑半金属吸附在纳米微机械显微操纵台的玻璃针尖上，通过玻璃针尖将拓扑半金属转移到目标衬底上，同时在光学显微镜下利用衬底表面的坐标标记记下拓扑半金属在衬底上的位置以及其长边与衬底的相对朝向。
4)在拓扑半金属上沿长边方向制备金属电极：
通过涂胶、电子束曝光、显影、镀膜和去胶步骤，制备三个普通金属Au电极，其中两个相邻的电极作为加热回路电极外接直流电源，与拓扑半金属一起构成加热回路，通过施加大的直流电产生热，使得沿着拓扑半金属长边方向产生温度差；剩下的电极作为一个自旋探测电极，用于检测产生的自旋信号；Au电极成条状，分布在拓扑半金属长边方向。
5)重复步骤4)中的涂胶、电子束曝光、显影、镀膜和去胶的微纳加工工艺，制备磁性金属Co电极作为另一个自旋探测电极；Co电极为长条状，宽500nm，其长边垂直于拓扑半金属的长边方向；这里Co电极的长度远远大于宽度，以保证其易磁化轴方向沿着Co电极的长边方向(同时垂直于拓扑半金属长边方向)。这样的Co电极和步骤4)中的一个自旋探测电极Au，连接至电压表，用于探测拓扑半金属中的热激发自旋极化电流。
6)将样品用银胶粘在样品台上进行点焊，在衬底的背面形成栅极，栅极连接至调控电压源Vg，连接直流电源负端的加热回路电极接地，构成回路。这里要注意拓扑半金属与样品台的相对方向，以保证之后施加的磁场处于衬底的面内且沿着Co电极的长边方向(即易磁化方向)。
7)通过直流电源对加热回路电极通电，从而对拓扑半金属的一端加热，热效应导致加热端的拓扑半金属的温度高于未加热的一端，从而加热端形成高温区H，另一端形成低温区C，即沿着拓扑半金属的长边方向形成空间温度梯度。
8)由于塞贝克效应，温度梯度会驱动拓扑半金属中的电子发生定向扩散进而产生空间电流或电荷的积累：高温区电子浓度较高，并且高温区的电子拥有更高的能量和速度，从而电子会沿着拓扑半金属的长度方向从高温区向低温区扩散；
9)拓扑半金属的表面态具有自旋-动量锁定特性，表面态电子的定向扩散导致在拓扑半金属中产生自旋极化电流；形成的自旋极化电流I正比于拓扑半金属的塞贝克系数、温度梯度和电子的自旋极化率，即
S为拓扑半金属的塞贝克系数，
为温度梯度，P为电子的自旋极化率(表面态导电占比越大，电子的自旋极化率P越大)；自旋极化方向位于拓扑半金属面内且垂直于其温度梯度方向，即垂直于拓扑半金属长边方向；确定的电子扩散方向，对应一个确定的自旋极化方向；当电子扩散方向反向时，自旋极化方向也会随之反向；因此通过改变加热装置在拓扑半金属上的位置，实现高温区与低温区的空间位置交换，即改变温度梯度方向，从而达到改变电子扩散方向以及自旋极化方向；温度梯度越大，自旋极化电流越强；
10)同时，衬底与拓扑半金属等效于一个平行板电容器，分别位于两侧的衬底的导电层和拓扑半金属相当于两个极板，位于中间的衬底的绝缘介电质层相当于介电层；通过调控电压源向栅极施加栅极电压，平行板电容器的两个极板之间产生电势差，形成的电场垂直于拓扑半金属的表面，电子在电场的作用下发生运动，从而通过施加栅极电压调节拓扑半金属的电子浓度，进而调控其表面态和体态的相对导电占比；表面态的相对导电占比增大，电子的自旋极化率增大，相应的自旋极化电流也会增强；
11)施加垂直于拓扑半金属长边的面内磁场B，通过自旋探测电极连接至电压表，检测热扩散导致的自旋极化电流；
12)拓扑半金属采用宽度大于其电子的平均自由程的纳米片，其表面态不会受到量子限制效应的影响，从而能够保持理想的自旋螺旋性费米弧结构，而理想费米弧形表面态本身的拓扑保护性很强，对于温度变化具有更强的拓扑稳定性；并且，高低温区之间的自旋产生仅来源于温度差引起的热扩散，并不存在外电场直接驱动，因此避免了热流与电流并行驱动之间的干扰，使得自旋极化电流稳定存在，从而在拓扑半金属中的热扩散导致的自旋极化电流在室温下稳定存在，实现室温下的热激发自旋极化电流源。
点焊完的器件放在测量杆上，在电学测量系统中进行温度范围1.5K～300K的自旋极化电流的产生和探测实验。
实施例二
如图2(b)，在本实施例中，沿着拓扑半金属的长度方向从右至左依次为一对加热回路电极、磁性金属电极和普通金属电极。电流热效应导致拓扑半金属的右端为成高温区H，左端为低温区C。其他同实施例一。
当电子扩散方向反向时，自旋极化方向也会随之反向；因此通过改变加热装置在拓扑半金属上的位置，实现高温区与低温区的空间位置交换，即改变温度梯度方向，达到改变电子扩散方向以及自旋极化方向的目的。如图1所示，实施例一的左端为高温区H，右端为低温区C，因此自旋极化方向为向下，如图1(a)所示；在实施例二中，将高温区与低温区的空间位置交换，即右端为高温区H，左端为低温区C，从而改变自旋极化方向为向上。
并且自旋极化电流信号的大小由温度梯度
决定，温度梯度越大，自旋极化电流信号越强，通过自旋探测电极连接至电压表，检测热激发自旋信号；利用热扩散导致的自旋极化电流可以在室温下稳定存在，实现室温下的热激发自旋极化电流源。
如图3(a)所示，实施例一中，环境温度为1.5K，未加栅极电压时，磁性金属电极和普通金属电极之间的电压Vs在来回扫描的面内磁场B的过程中出现了高低值的变化，表明拓扑半金属中出现了自旋极化的电子流。由上面对电压信号的讨论，根据磁性金属电极的磁化方向推断出体系电子的自旋极化方向。如图3(b)所示，当改变加热回路位置，即实例二中高温端位于拓扑半金属的右端，电压的回滞曲线发生了反转，即正负磁场下电压的高低值发生了改变，也就表明此时拓扑半金属中的电子自旋极化方向发生了反转。因此，利用电流热效应进行局部加热升温在拓扑半金属中引入温度梯度的方式，能够产生自旋极化电流；当温度梯度方向改变，即交换高低温区的相对位置，相应电子的自旋极化方向也会发生改变。图3中实线箭头表示电子的自旋极化方向，虚线箭头表示磁性金属电极的磁化方向。
图3(c)展示了在实施例二的测量配置中，调节栅极电压增大表面态电导时的电压回滞曲线，相对于未加栅极电压的情况，磁性金属电极和普通金属电极之间的电压明显增加。根据自旋势测量公式Vs∝PFM(P·Mu)，Vs为磁性金属电极和普通金属电极之间的电压，PFM为磁性金属电极的有效自旋极化，Mu为磁性金属电极的磁化方向的单位矢量，P为材料中电子的自旋极化率。在拓扑半金属中，自旋极化电流全部来源于表面态，当表面态电导增强，流过表面态的电流部分增多，拓扑半金属中电子的自旋极化率也会提高。由公式不难看出，电子的自旋极化率P越高，Vs越显著。因此，相对于未加栅极电压的情形，调节栅极电压增大表面态电导后，拓扑半金属在栅极电压下电子的自旋极化率显著提高。
图3(d)展示了在实施例一的测量配置中，环境温度为300K时电压随磁场的回滞曲线，表明这种热激发的自旋极化流可以稳定维持到室温。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
Claims (10)
1.一种室温热激发自旋极化电流源，其特征在于，所述室温热激发自旋极化电流源包括：衬底、拓扑半金属、加热装置、自旋探测电极、栅极、调控电压源和磁场；其中，衬底包括下层的导电层和上层的绝缘介电质层；在绝缘介电质层上方转移拓扑半金属，拓扑半金属与衬底互相平行，拓扑半金属的表面平整光滑，形状为纳米片，纳米片的宽度大于电子的平均自由程；沿着拓扑半金属长边方向，在拓扑半金属的一端设置加热装置；沿着拓扑半金属的长度方向制备两个自旋探测电极，一个自旋探测电极为磁性金属电极，另一个自旋探测电极为普通金属电极，磁性金属电极的易磁化方向位于拓扑半金属面内且垂直于其长边方向；在衬底的背面形成栅极；栅极连接至调控电压源；通过加热装置对拓扑半金属的一端加热，热效应导致加热端的拓扑半金属的温度高于未加热的一端，从而加热端形成高温区，另一端形成低温区，即沿着拓扑半金属的长边方向形成空间温度梯度；由于塞贝克效应，温度梯度会驱动拓扑半金属中的电子发生定向扩散进而产生空间电流或电荷的积累：高温区的电子浓度较高，并且高温区的电子拥有更高的能量和速度，从而电子会沿着拓扑半金属的长度方向从高温区向低温区扩散；拓扑半金属的表面态具有自旋-动量锁定特性，表面态电子的定向扩散导致在拓扑半金属中产生自旋极化电流；形成的自旋极化电流I正比于拓扑半金属的塞贝克系数、温度梯度和电子的自旋极化率，即
S为拓扑半金属的塞贝克系数，
为温度梯度，P为电子的自旋极化率，表面态的相对导电占比越大，电子的自旋极化率P越大；自旋极化方向位于拓扑半金属面内且垂直于其温度梯度方向，即垂直于拓扑半金属长边方向；确定的电子扩散方向，对应一个确定的自旋极化方向；当电子扩散方向反向时，自旋极化方向也会随之反向；因此通过改变加热装置在拓扑半金属上的位置，实现高温区与低温区的空间位置交换，即改变温度梯度方向，从而改变电子扩散方向以及自旋极化方向；温度梯度越大，自旋极化电流越强；同时，衬底与拓扑半金属等效于一个平行板电容器，分别位于两侧的衬底的导电层和拓扑半金属相当于两个极板，位于中间的衬底的绝缘介电质层相当于介电层；通过调控电压源向栅极施加栅极电压，平行板电容器的两个极板之间产生电势差，形成的电场垂直于拓扑半金属的表面，电子在电场的作用下发生运动，从而在温度梯度一定时，通过施加栅极电压调节拓扑半金属的电子浓度，进而调控其表面态和体态的相对导电占比；表面态的相对导电占比增大，电子的自旋极化率增大，相应的自旋极化电流也会增强；施加垂直于拓扑半金属长边的面内磁场，通过自旋探测电极连接至电压表，检测热扩散导致的自旋极化电流；拓扑半金属采用宽度大于电子的平均自由程的纳米片，表面态不会受到量子限制效应的影响，从而能够保持理想的自旋螺旋性费米弧结构，理想费米弧形表面态本身的拓扑保护性很强，对于温度变化具有更强的拓扑稳定性；并且，高低温区之间的自旋产生仅来源于温度差引起的热扩散，并不存在外电场直接驱动，因此避免了热流与电流并行驱动之间的干扰，使得自旋极化电流稳定存在，从而在拓扑半金属中的热扩散导致的自旋极化电流在室温下稳定存在，实现室温下的热激发自旋极化电流源。
2.如权利要求1所述的室温热激发自旋极化电流源，其特征在于，所述拓扑半金属的宽度为1μm～10μm；拓扑半金属的长度为5μm～50μm，厚度为50nm～300nm。
3.如权利要求1所述的室温热激发自旋极化电流源，其特征在于，所述衬底的导电层采用导电材料；绝缘介电质层采用氧化物，厚度为250～300nm。
4.如权利要求1所述的室温热激发自旋极化电流源，其特征在于，所述加热装置采用加热电阻丝连接至直流电源，或者采用一对加热回路电极和直流电源；沿着拓扑半金属长边方向，在拓扑半金属的一端制备一对加热回路电极，构成加热端，一对加热回路电极通过导线连接至直流电源，形成闭合回路。
5.如权利要求4所述的室温热激发自旋极化电流源，其特征在于，所述加热回路电极采用普通金属材料；直流电源提供的电流为0.1mA～10mA。
6.如权利要求1所述的室温热激发自旋极化电流源，其特征在于，所述栅极连接调控电压源，用来调节拓扑半金属的电子浓度，进而改变拓扑半金属费米能级的位置，从而调控表面态和体态的相对导电占比；栅极电压对拓扑半金属中电子浓度即费米能级的调节能力决定于等效的平行板电容器的电容容量，由平行板电容容量的公式C＝εA/4πkd，C为平行板电容器的电容容量，ε为绝缘介电质层的介电常数，A为极板的正对面积，k为静电力常量，d为绝缘介电质层的厚度，从而对于同一种绝缘介电质层的材料，其厚度越薄，平行板电容器的电容容量越大，栅极电压对电子浓度和费米能级的调节能力也越强。
7.一种如权利要求1所述的室温热激发自旋极化电流源的实现方法，其特征在于，所述实现方法包括以下步骤：
1)提供表面清洁的衬底，衬底包括下层的导电层和上层的绝缘介电质层；
2)采用化学气相沉积法CVD合成拓扑半金属，通过控制加热温度、载气流量和生长衬底种类，在管式炉中生长出形状为纳米片的拓扑半金属；
3)在绝缘介电质层上方转移拓扑半金属，拓扑半金属与衬底互相平行，拓扑半金属的宽度大于电子的平均自由程；
4)沿着拓扑半金属长边方向，在拓扑半金属的一端设置加热装置；
5)沿着拓扑半金属的长度方向制备两个自旋探测电极，一个自旋探测电极为磁性金属电极，另一个自旋探测电极为普通金属电极，磁性金属电极的易磁化方向位于拓扑半金属面内且垂直于其长边方向；
6)在衬底的背面形成栅极；栅极连接至调控电压源；
7)通过加热装置对拓扑半金属的一端加热，热效应导致加热端的拓扑半金属的温度高于未加热的一端，从而加热端形成高温区，另一端形成低温区，即沿着拓扑半金属的长边方向形成空间温度梯度；
8)由于塞贝克效应，温度梯度会驱动拓扑半金属中的电子发生定向扩散进而产生空间电流或电荷的积累：高温区的电子浓度较高，并且高温区的电子拥有更高的能量和速度，从而电子会沿着拓扑半金属的长度方向从高温区向低温区扩散；
9)拓扑半金属的表面态具有自旋-动量锁定特性，表面态电子的定向扩散导致在拓扑半金属中产生自旋极化电流；形成的自旋极化电流I正比于拓扑半金属的塞贝克系数、温度梯度和电子的自旋极化率，即
S为拓扑半金属的塞贝克系数，
为温度梯度，P为电子的自旋极化率，表面态的相对导电占比越大，电子的自旋极化率P越大；自旋极化方向位于拓扑半金属面内且垂直于其温度梯度方向，即垂直于拓扑半金属长边方向；确定的电子扩散方向，对应一个确定的自旋极化方向；当电子扩散方向反向时，自旋极化方向也会随之反向；因此通过改变加热装置在拓扑半金属上的位置，实现高温区与低温区的空间位置交换，即改变温度梯度方向，从而改变电子扩散方向以及自旋极化方向；温度梯度越大，自旋极化电流越强；
10)同时，衬底与拓扑半金属等效于一个平行板电容器，分别位于两侧的衬底的导电层和拓扑半金属相当于两个极板，位于中间的衬底的绝缘介电质层相当于介电层；通过调控电压源向栅极施加栅极电压，平行板电容器的两个极板之间产生电势差，形成的电场垂直于拓扑半金属的表面，电子在电场的作用下发生运动，从而在温度梯度一定时，通过施加栅极电压调节拓扑半金属的电子浓度，进而调控其表面态和体态的相对导电占比；表面态的相对导电占比增大，电子的自旋极化率增大，相应的自旋极化电流也会增强；
11)施加垂直于拓扑半金属长边的面内磁场，通过自旋探测电极连接至电压表，检测热扩散导致的自旋极化电流；
12)拓扑半金属采用宽度大于电子的平均自由程的纳米片，表面态不会受到量子限制效应的影响，从而能够保持理想的自旋螺旋性费米弧结构，理想费米弧形表面态本身的拓扑保护性很强，对于温度变化具有更强的拓扑稳定性；并且，高低温区之间的自旋产生仅来源于温度差引起的热扩散，并不存在外电场直接驱动，从而避免了热流与电流并行驱动之间的干扰，使得自旋极化电流稳定存在，因此在拓扑半金属中的热扩散导致的自旋极化电流在室温下稳定存在，实现室温下的热激发自旋极化电流源。
8.如权利要求7所述的实现方法，其特征在于，在步骤2)中，表面镀有3～5nm金的硅片作为生长衬底，选择流量为18～22sccm的氩气作为载气，源材料与生长衬底的距离为13～14厘米；生长温度为650℃～700℃，升温时间为15～20min，维持时间为10～15min。
9.如权利要求7所述的实现方法，其特征在于，在步骤9)中，通过调节栅极电压改变拓扑半金属的费米能级的方式，来改变拓扑半金属中表面态的相对导电占比，实现对电子的自旋极化率的调节，使得室温热激发自旋极化电流源在室温下稳定工作。
10.如权利要求7所述的实现方法，其特征在于，在步骤11)中，两个自旋探测电极即磁性金属电极和普通金属电极之间的电压由拓扑半金属的电子的自旋极化方向和磁性金属电极的磁化方向的相对取向决定；当电子的自旋极化方向与磁性金属电极的磁化方向平行时，对应的自旋探测电极之间的电压高；当电子的自旋极化方向与磁性金属电极的磁化方向反平行时，对应的自旋探测电极之间的电压低。
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