CN111983530B - 一种基于磁性绝缘体的平面自旋阀磁电阻传感器及其制备方法 - Google Patents

一种基于磁性绝缘体的平面自旋阀磁电阻传感器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种基于磁性绝缘体的平面自旋阀磁电阻传感器，包括基底，形成于基底之上的硬磁绝缘体和软磁绝缘体，硬磁绝缘体和软磁绝缘体之间采用石墨烯作为自旋流传输通道，形成于硬磁绝缘体和软磁绝缘体之上的非磁性重金属电极。本发明引入非磁重金属/石墨烯/磁性绝缘体结构，避免了石墨烯与磁性金属材料之间的电导失配问题而导致注入电流自旋极化率降低，在磁性绝缘体的情况下，电荷流无法流动仅自旋流可传播，使得功耗降低，采用在硬磁绝缘体单元上通入直流电流，由自旋霍尔效应产生纯自旋流通过石墨烯输运，被相邻的软磁绝缘体上的非磁重金属电极收集，可测量得到自旋霍尔磁电阻大小并探测外磁场方向。

Description

一种基于磁性绝缘体的平面自旋阀磁电阻传感器及其制备 方法
技术领域
本发明涉及一种磁电阻传感器的结构，具体涉及一种基于磁性绝缘体的平面自旋阀磁电阻传感器及其制备方法。
背景技术
随着物联网(IOT)技术的不断发展，巨磁电阻(GMR)传感器作为一种非接入式探测电流的重要元器件，在对自动保护功能和智能控制要求越来越高的技术中有着广泛的应用。由于体积小、灵敏度高、易于集成等优点，已成为磁场、电流、位移等可转换为磁信号探测的传感器首选，广泛用于磁存储、磁场和生物传感器、微机械系统等领域。
针对应用领域对线性化巨磁电阻传感器的极大需求，开展了性能稳定的自旋阀结构的磁电阻传感器研究。
目前的平面自旋阀器件是基于传统的自旋阀效应，将自由层和被钉扎层制成基片上的电极，二者之间，石墨烯作为自旋流传输通道实现自旋电子输运，在被钉扎层电极上镀膜钉扎层，通过控制钉扎层的材料及厚度实现磁化方向的反转以实现自发的垂直耦合，通常采用钴铁等铁磁性金属材料。对设备的要求较高，需要进行厚度的控制和界面的处理，且薄膜层数较多不利于实现集成化和小型化。
其次在目前的平面自旋阀器件中，在用铁磁性电极向石墨烯中注入自旋时，由于Ni等磁性金属材料的电导率比石墨烯高，石墨烯/磁性金属结构在器件中会使得石墨烯处于电短路状态，石墨烯注入电流的自旋极化率往往很低，需要在石墨烯和铁磁性金属电极之间引入隧穿层来提高注入自旋的极化率。由于石墨烯表面缺乏悬键，沉积的氧化物很容易在石墨烯上扩散，沉积的隧穿层上有细小的孔洞时，部分电流会通过细孔流入石墨烯，大大减少注入电子的自旋极化率，因此对隧穿层的质量要求很高，实验上难以完全实现理论上的磁电阻效应。
因此，随着自旋阀磁电阻传感器的发展，引入石墨烯/磁性绝缘体结构，实现性能稳定且超低功耗的平面自旋阀结构磁性器件十分重要。
发明内容
本发明的目的在于，针对背景技术存在的不足，提出一种结构简单、易于实现、具有较长的自旋弛豫时间和自旋扩散长度、灵敏度高、功耗极低的基于磁性绝缘体的平面自旋阀磁电阻传感器及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于磁性绝缘体的平面自旋阀磁电阻传感器，其特征在于，所述平面自旋阀磁电阻传感器包括：
基底；
形成于基底之上的磁性绝缘体，所述磁性绝缘体包括矫顽力大的硬磁绝缘体和矫顽力小的软磁绝缘体，硬磁绝缘体和软磁绝缘体之间采用石墨烯作为自旋流传输通道，以实现自旋电子的输运；
形成于硬磁绝缘体和软磁绝缘体之上的非磁性重金属电极，所述非磁性重金属电极的厚度低于该电极的自旋扩散长度，用于产生自旋流和探测磁电阻。
本发明基于磁性绝缘体的平面自旋阀磁电阻传感器包括不同矫顽力的磁性绝缘体微型单元，矫顽力大的硬磁绝缘体作为磁矩固定单元，矫顽力小的软磁绝缘体作为磁矩自由单元，响应外磁场取向；磁性绝缘体微型单元之间通过石墨烯作为自旋流传输通道实现自旋电子输运；磁性绝缘体单元上方覆盖纳米级厚度的非磁性重金属电极，厚度低于该电极的自旋扩散长度，用于产生自旋流和探测磁电阻。所述硬磁绝缘体和软磁绝缘体具有相互垂直的易磁化轴，且硬磁绝缘体和软磁绝缘体具有不同的矫顽力，即可实现自旋阀磁电阻传感器的线性化传感；所述硬磁绝缘体和软磁绝缘体具有平行或反平行的易磁化轴，且具有不同矫顽力的情况下，平面自旋阀磁电阻传感器实现开关功能(平行时为开状态，反平行时为关状态)。
进一步地，所述硬磁绝缘体和软磁绝缘体具有相互垂直的易磁化轴，硬磁绝缘体和软磁绝缘体具有不同的矫顽力，即可实现自旋阀磁电阻传感器的线性化传感；所述硬磁绝缘体和软磁绝缘体具有平行或反平行的易磁化轴，且具有不同矫顽力的情况下，平面自旋阀磁电阻传感器实现开关功能。
进一步地，所述基于磁性绝缘体的平面自旋阀磁电阻传感器中的磁性绝缘体为具有自偏置特性的钡铁氧体薄膜，或低损耗钇铁石榴石等面内各向异性磁性绝缘体，或面外各向异性的稀土掺杂石榴石薄膜，或铁磁性拓扑绝缘体薄膜。材料不限于上述列举的材料。
进一步地，所述基于磁性绝缘体的平面自旋阀磁电阻传感器中的非磁性重金属电极为具有良好导电性且具有强自旋耦合效应的材料，具体为铂(Pt)金属及其合金、钽(Ta)金属薄膜、钨(W)金属薄膜等。材料不限于上述列举的材料。
进一步地，所述基于磁性绝缘体的平面自旋阀磁电阻传感器中，硬磁绝缘体和软磁绝缘体之间采用石墨烯作为自旋流传输通道，所述石墨烯为单层或者多层石墨烯，以实现磁性绝缘体之间自旋电子的输运。
进一步地，所述基于磁性绝缘体的平面自旋阀磁电阻传感器中，硬磁绝缘体和软磁绝缘体之间的间距为0.1～20μm，以满足不同自旋扩散长度要求。
进一步地，所述基于磁性绝缘体的平面自旋阀磁电阻传感器，以硬磁绝缘体作为自旋阀磁电阻传感器的磁矩固定单元，软磁绝缘体作为磁矩自由单元，磁矩固定单元和磁矩自由单元横向排列。其中，磁矩自由单元易受外界磁场控制，改变磁化方向，在外磁场为零时，固定单元和自由单元的磁化方向夹角为0度、180度或90度，且磁矩自由单元磁化方向可随着外加磁场的强弱而产生和磁矩固定单元的夹角变化，进而改变所述平面自旋阀磁电阻器件的电阻值。
一种基于磁性绝缘体的平面自旋阀磁电阻传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、采用薄膜沉积工艺，在基底上生长矫顽力大的硬磁绝缘体薄膜，然后采用微电子光刻工艺，对硬磁绝缘体薄膜进行光刻和刻蚀，得到微型硬磁性绝缘体单元；
步骤2、以微型软磁性绝缘体单元图形作为掩膜，采用薄膜沉积工艺在步骤1得到的复合结构上生长矫顽力小的软磁绝缘体薄膜，得到微型软磁性绝缘体单元；
步骤3、采用湿法转移技术，转移石墨烯层覆盖至相邻的硬磁绝缘体和软磁绝缘体上；
步骤4、以非磁性重金属电极图形作为掩膜，采用薄膜沉积工艺沉积非磁性重金属电极，对电极进行压焊和器件封装，完成所述自旋阀磁电阻传感器的制备。
本发明提供的一种基于磁性绝缘体的平面自旋阀磁电阻传感器，采用横向自旋阀结构，这种结构有利于分离电荷流和纯自旋流。电流源注入硬磁绝缘体(矫顽力大)上的非磁性重金属电极中，由自旋霍尔效应产生自旋流在硬磁绝缘体界面积聚，通过石墨烯输运至相邻的软磁(矫顽力小)绝缘体上的非磁性重金属电极收集。自旋扩散与自旋朝向相关的化学势有关，其中化学势的分裂对应于石墨烯中的自旋密度。随着自旋向软磁绝缘体扩散，自旋密度由于自旋翻转散射而衰减，传输至一侧磁性绝缘体电极后，由于两种磁性绝缘体具有不同的初始磁化方向，因此在外加磁场控制下，界面自旋流是否流入软磁性绝缘体内取决于软磁绝缘体中磁矩的方向，随着磁化方向夹角的变化，界面处的自旋积聚改变，即自旋流大小改变，自旋霍尔磁电阻随之改变，通过测量自旋霍尔磁电阻大小，可探测外磁场方向。
采用了上述技术方案后，本发明的有益效果为：
本发明提供的一种基于磁性绝缘体的平面自旋阀磁电阻传感器，引入非磁重金属/石墨烯/磁性绝缘体结构，避免了石墨烯与磁性金属材料之间的电导失配问题而导致注入电流自旋极化率降低，在磁性绝缘体的情况下，电荷流无法流动仅自旋流可传播，使得功耗降低，采用在硬磁绝缘体单元上通入直流电流，由自旋霍尔效应产生纯自旋流通过石墨烯输运，被相邻的软磁绝缘体上的非磁重金属电极收集，可测量得到自旋霍尔磁电阻大小并探测外磁场方向。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于磁性绝缘体的平面自旋阀磁电阻传感器的结构示意图；
图2为本发明提供的一种基于磁性绝缘体的平面自旋阀磁电阻传感器的测试示意图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明进一步说明。但这些例举性实施方式的用途和目的仅用来例举本发明，并非对本发明的实际保护范围构成任何形式的任何限定，更非将本发明的保护范围局限于此。
一种基于磁性绝缘体的平面自旋阀磁电阻传感器，如图1所示，所述平面自旋阀磁电阻传感器单元器件在基底4的基础上，采用微电子光刻工艺，刻蚀得到不同矫顽力的硬磁绝缘体1(矫顽力大)和软磁绝缘体2(矫顽力小)，通过石墨烯进行不同铁磁绝缘体单元之间的纯自旋流传输，在每个铁磁绝缘体单元上方覆盖纳米级厚度的非磁性重金属电极3，作为界面自旋流的产生和收集电极。
本发明提供的一种基于磁性绝缘体的平面自旋阀磁电阻传感器，在硬磁(矫顽力大)绝缘体单元1上的非磁性重金属电极中施加直流电流，由自旋霍尔效应在硬磁绝缘体1和非磁性重金属界面处产生自旋流，自旋流通过石墨烯输运，被相邻的软磁绝缘体2单元上的非磁性重金属电极收集。由于硬磁绝缘体1和软磁绝缘体2具有不同的易磁化方向，且软磁绝缘体2的矫顽力要明显小于硬磁绝缘体1，因此软磁绝缘体2的磁矩方向随着外磁场控制而变化，而硬磁绝缘体1的磁矩方向保持不变，二者磁矩夹角发生变化，控制扩散到软磁绝缘体2界面处的自旋流是否进入软磁绝缘体内，或积聚在界面通过逆自旋霍尔效应转换成电荷流，测得自旋霍尔磁电阻变化，可得外磁场方向。
实施例1
本实施例中，两种磁性绝缘体由具有面内和面外磁各向异性的钇铁石榴石(Y3Fe5O12，YIG)薄膜和钡铁氧体(BaFe12O19)薄膜构成。YIG单晶薄膜的厚度为100nm，晶体取向(111)，饱和磁化强度1748Gs，矫顽力HC为1Oe；BaFe12O19厚度500nm，饱和磁化强度Ms为72emu/g，面外剩磁比大于70％，矫顽力HC为6900Oe。非磁性重金属电极为Pt，具有强自旋轨道耦合效应。在Pt电极/石墨烯/钡铁氧体电极上注入直流电流1μA，施加一个面外磁场，由自旋霍尔效应产生的纯自旋流从钡铁氧体单元上表面，通过单层石墨烯扩散到YIG单元上表面，当外磁场改变方向，由于YIG的矫顽力明显小于钡铁氧体，YIG单元中的磁矩方向能随磁场转动取向，钡铁氧体单元中磁矩方向保持不变，二者之间的夹角发生变化，控制扩散到YIG单元界面的自旋流是否进入YIG或积聚在界面，通过逆自旋霍尔效应转换成电荷流，得到YIG单元上方Pt薄膜的自旋霍尔磁电阻变化。
一种磁性绝缘体自旋阀磁电阻传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、采用脉冲激光沉积(Pulsed laser deposition，PLD)工艺，在单晶钆镓石榴石(GGG)基片上生长钡铁氧体薄膜，真空度为3×10-6Pa，氧气压强为1Pa，然后采用微电子光刻工艺，对钡铁氧体薄膜进行光刻和刻蚀，得到钡铁氧体微型单元，钡铁氧体微型单元为矩形条状，其宽为0.1～10μm；
步骤2、以微型软磁性绝缘体单元图形作为掩膜，采用脉冲激光沉积(Pulsedlaser deposition，PLD)工艺，在步骤1得到的复合结构上生长YIG薄膜，真空度为3×10- 6Pa，氧气压强为1Pa，得到YIG微型单元，YIG微型单元为矩形条状，其宽为0.1～10μm，与钡铁氧体微型单元之间的间距为0.1～5μm；
步骤3、采用湿法转移技术，将单层石墨烯转移并覆盖，在步骤2得到的磁性绝缘体YIG及钡铁氧体上；
步骤4、以非磁性重金属电极图形作为掩膜，采用薄膜沉积工艺沉积顶层Pt电极，对电极进行压焊和器件封装，完成所述自旋阀磁电阻传感器的制备。
实施例2
本实施例中，两种磁性绝缘体由具有面外各向异性的铥铁石榴石(Tm3Fe5O12，TmIG)薄膜和钡铁氧体(BaFe12O19)薄膜构成。TmIG单晶薄膜的厚度为20nm，晶体取向(111)，每单位体积的饱和磁化强度为84.96emu/cm3，矫顽力HC为20Oe左右；BaFe12O19厚度500nm，面外剩磁比大于70％，饱和磁化强度Ms为72emu/g，矫顽力HC为6900Oe。非磁性重金属电极为Pt，具有强自旋轨道耦合效应。在Pt电极/石墨烯/钡铁氧体电极上注入直流电流1μA，施加一个面外磁场，由自旋霍尔效应产生的纯自旋流从钡铁氧体单元上表面，通过石墨烯扩散到TmIG单元上表面，当外磁场改变方向，由于TmIG的矫顽力明显小于钡铁氧体，TmIG单元中的磁矩方向能随磁场转动取向，钡铁氧体单元中磁矩方向保持不变，二者之间的夹角发生变化，控制扩散到TmIG单元界面的自旋流是否进入TmIG或积聚在界面，通过逆自旋霍尔效应转换成电荷流，得到TmIG单元上方Pt薄膜的自旋霍尔磁电阻变化。
一种磁性绝缘体自旋阀磁电阻传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、采用脉冲激光沉积(Pulsed laser deposition，PLD)工艺，在单晶钆镓石榴石(GGG)基片上生长钡铁氧体薄膜，真空度为3×10-6Pa，氧气压强为1Pa，然后采用微电子光刻工艺，对钡铁氧体薄膜进行光刻和刻蚀，得到钡铁氧体微型单元，钡铁氧体微型单元为矩形条状，其宽为0.1～10μm；
步骤2、以微型软磁性绝缘体单元图形作为掩膜，采用脉冲激光沉积(Pulsedlaser deposition，PLD)工艺，在步骤1得到的复合结构上生长TmIG薄膜，真空度为3×10- 6Pa，氧气压强为1Pa，得到TmIG微型单元，TmIG微型单元为矩形条状，其宽为0.1～10μm，与钡铁氧体微型单元之间的间距为0.1～5μm；
步骤3、采用湿法转移技术，将单层石墨烯转移并覆盖，在步骤2得到的磁性绝缘体TmIG及钡铁氧体上；
步骤4、以非磁性重金属电极图形作为掩膜，采用薄膜沉积工艺沉积顶层Pt电极，对电极进行压焊和器件封装，完成所述自旋阀磁电阻传感器的制备。

Claims (7)

1.一种基于磁性绝缘体的平面自旋阀磁电阻传感器，其特征在于，所述平面自旋阀磁电阻传感器包括：
基底；
形成于基底之上的磁性绝缘体，所述磁性绝缘体包括硬磁绝缘体和软磁绝缘体，硬磁绝缘体和软磁绝缘体之间采用石墨烯作为自旋流传输通道，以实现自旋电子的输运；
形成于硬磁绝缘体和软磁绝缘体之上的非磁性重金属电极。
2.根据权利要求1所述的基于磁性绝缘体的平面自旋阀磁电阻传感器，其特征在于，所述硬磁绝缘体和软磁绝缘体具有相互垂直的易磁化轴时，实现自旋阀磁电阻传感器的线性化传感；所述硬磁绝缘体和软磁绝缘体具有平行或反平行的易磁化轴时，实现自旋阀磁电阻传感器的开关功能。
3.根据权利要求1所述的基于磁性绝缘体的平面自旋阀磁电阻传感器，其特征在于，所述磁性绝缘体为铁氧体薄膜、尖晶石铁氧体、石榴石铁氧体、磁铅石铁氧体或铁磁性拓扑绝缘体薄膜。
4.根据权利要求1所述的基于磁性绝缘体的平面自旋阀磁电阻传感器，其特征在于，所述非磁性重金属电极为铂金属及其合金、钽金属薄膜或钨金属薄膜。
5.根据权利要求1所述的基于磁性绝缘体的平面自旋阀磁电阻传感器，其特征在于，所述石墨烯为单层或者多层石墨烯。
6.根据权利要求1所述的基于磁性绝缘体的平面自旋阀磁电阻传感器，其特征在于，所述硬磁绝缘体和软磁绝缘体之间的间距为0.1～20μm。
7.一种基于磁性绝缘体的平面自旋阀磁电阻传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、采用薄膜沉积工艺，在基底上生长硬磁绝缘体薄膜，然后采用微电子光刻工艺，对硬磁绝缘体薄膜进行光刻和刻蚀，得到微型硬磁性绝缘体单元；
步骤2、以微型软磁性绝缘体单元图形作为掩膜，采用薄膜沉积工艺在步骤1得到的复合结构上生长软磁绝缘体薄膜，得到微型软磁性绝缘体单元；
步骤3、采用湿法转移技术，转移石墨烯层覆盖至相邻的硬磁绝缘体和软磁绝缘体上；
步骤4、以非磁性重金属电极图形作为掩膜，采用薄膜沉积工艺沉积非磁性重金属电极，完成所述自旋阀磁电阻传感器的制备。
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