CN113005405A - 巨自旋霍尔角合金材料及其制备方法和用途 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及通信领域，公开了一种巨自旋霍尔角合金材料及其制备方法和用途，包括：巨自旋霍尔角合金材料包括：5d重金属‑锆合金薄膜，其中所述锆元素组分为0.01‑0.5；以及在5d重金属‑锆合金薄膜上的软磁薄膜层。本发明可实现通过5d重金属‑锆合金薄膜较对应的单质5d重金属薄膜的室温下的自旋霍尔角度显著增加(最大200％以上)，室温自旋扩散长度减小，本发明相比单质5d重金属材料的自旋霍尔效应，自旋流的产生效率增加了，同时降低了材料成本。
Description
技术领域
本发明涉及自旋电子新材料技术领域，具体是指一种巨自旋霍尔角合金材料及其制备方法和用途。
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领着严峻的瓶颈。电子自旋是电子除电荷之外的另一个属性，可被用来传输和处理信息，即诞生了自旋电子学(Spintronics)。自旋电子传输信息具有极低的功耗，甚至可以完成量子信息的处理和存储，是构建量子信息芯片的理想媒质。自旋霍尔效应(Spin Hall Effect)是在自旋轨道耦合作用下，施加横向电流作用下产生纵向的自旋流的效应，自旋流可以不伴随着电荷的移动，实现无耗散过程，使得样品不产生焦耳热。相反地，逆自旋霍尔效应(Inverse Spin Hall Effect)是指自旋流转换为电流的过程，可以用来测试自旋流的大小。自旋霍尔效应的强弱体现为电流与自旋流转换效率的大小，这个转换效率人们用自旋霍尔角(θSH)表示。
当前，自旋霍尔效应研究通常在“磁性/非磁性5d重金属”异质结体系，然而单一的非磁性5d重金属的自旋霍尔效应都较弱，最常用的5d重金属铂(Pt)自旋霍尔角在0.15左右，通过合金化或者掺杂的5d重金属材料的自旋霍尔角将显著提升，例如铜铋(CuBi)合金低温下自旋霍尔角可达0.24，铋铂(BiPt)合金室温下自旋霍尔角可达0.23，β-W掺杂少量氧自旋霍尔角可达-0.45等。然而，现有合金材料都无法满足获得更强的自旋霍尔效应，人们在拓扑绝缘体(Bi2Se3)和拓扑半金属材料(TaAs，W3Ta等)中获得了大于1的自旋霍尔角，但是拓扑材料生长工艺十分昂贵，难以量产，通常需要超高真空的分子束外延系统或者高温制备小面积单晶材料，尚无法实现磁控溅射的大面积制备和应用。通常，5d重金属合金作为缓冲层在MRAM器件中应用，需要兼具优异的温度稳定性和自旋轨道力矩效应，当前的5d重金属合金材料主要考虑自旋轨道耦合引起的电荷流与自旋流的转换(自旋霍尔效应)，没有利用轨道霍尔效应去增强材料的自旋霍尔角。
因此，我们迫切需要一种巨自旋霍尔角合金材料及其制备方法和用途。
发明内容
本发明的一个方面在于提供一种巨自旋霍尔角合金材料，能够利用轨道霍尔效应维度去增强材料的自旋霍尔角。
本发明的另一方面还提供巨自旋霍尔角合金材料的制备方法和用途。
根据一示例性实施例，提供一种巨自旋霍尔角合金材料，巨自旋霍尔角合金材料包括：5d重金属-锆合金薄膜，其中所述锆元素组分为0.01-0.5；以及在5d重金属-锆合金薄膜上的软磁薄膜层。
在一些示例中，软磁薄膜层包括但不限于钴铁、镍铁以及钴铁硼中的一种或多种。
在一些示例中，5d重金属-锆合金薄膜的厚度为1-20nm。
在一些示例中，软磁薄膜层的厚度为1-10nm。
根据另一示例性实施例，提供一种巨自旋霍尔角合金材料的制备方法，包括：在纳米级平整表面的基片上基于物理气相沉积技术生长5d重金属-锆合金薄膜；在5d重金属-锆合金薄膜上基于物理气相沉积技术生长软磁薄膜层。
在一些示例中，基片需要丙酮、酒精以及去离子水中的一种或多种清洗。
在一些示例中，基片为半导体、绝缘体以及金属基片中的一种或多种。
在一些示例中，物理气相沉积技术采用磁控溅射设备实施。
在一些示例中，在基片上基于磁控溅射设备生长5d重金属-锆合金薄膜一种巨自旋霍尔角合金材料的制备方法包括：
使磁控溅射设备中的真空室在10-5Pa真空环境下，以10-30SCCM的氩气流量通入磁控溅射设备的真空室中直至背底真空度0.26-0.5Pa；
在真空室0.26-0.5Pa的压力下，打开磁控溅射设备的磁控溅射电源，以20-50W的直流功率对5d重金属-锆合金靶材进行预溅射，用氩离子轰击清洗5d重金属-锆合金靶材表面；
打开磁控溅射设备中5d重金属-锆合金靶材前的挡板，以0.1转每秒的转速匀速旋转长有5d重金属-锆合金薄膜的基片，到达设定的生长时间后，关闭磁控溅射设备的磁控溅射电源和挡板，得到所述5d重金属-锆合金薄膜
根据另一示例性实施例，提供一种巨自旋霍尔角合金材料的应用，基于任一项巨自旋霍尔角合金材料的应用于自旋电子高密度SOT-MRAM存储器、自旋传感器以及量子计算中。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明可实现通过5d重金属-锆合金薄膜具有超过0.4的室温自旋霍尔角，霍尔角大小与5d重金属元素的种类和Zr元素的摩尔比有关，该5d重金属-锆合金薄膜材料的最大室温自旋霍尔角超过0.4，具有很大的自旋轨道力矩。
(2)本发明可实现通过5d重金属-锆合金薄膜较对应的单质5d重金属薄膜的室温下的自旋霍尔角度显著增加(最大200％以上)，室温自旋扩散长度减小；本发明相比单质5d重金属材料的自旋霍尔效应，自旋流的产生效率增加了，同时降低了材料成本，可以完成大面积(8英寸和12英寸)半导体晶圆片上的均匀制备，为巨自旋霍尔材料的大面积制备与研究提供了一种新的方法，在自旋电子学中电流驱动磁矩翻转、自旋轨道力矩磁隧道结存储器(SOT-MRAM)、自旋传感器和低功耗逻辑器件等众多领域有广泛的应用前景。
本申请的一部分附加特性可以在下面的描述中进行说明。通过对以下描述和相应附图的检查或者对实施例的生产或操作的了解，本申请的一部分附加特性对于本领域技术人员是显而易见的。本披露的特性可以通过对以下描述的具体实施例的各种方面的方法、手段和组合的实践或者使用得以实现和达到。
附图说明
本发明的多个实施例的某些特征在所附权利要求中进行具体说明。参考以下详细描述可以获得对本发明的特征和优点的更好理解，其中阐述了利用了本发明的原理的说明性实施例以及附图，其中：
图1是根据本说明书一些实施例所示巨自旋霍尔角合金材料的自旋泵浦效应示意图。
具体实施方式
下面参照附图描述本发明的示例性实施例。
实施例一：
一种巨自旋霍尔角合金材料，巨自旋霍尔角合金材料包括：5d重金属-锆合金薄膜，其中所述锆元素组分为0.01-0.5；以及在5d重金属-锆合金薄膜上的软磁薄膜层。
霍尔角大小与5d重金属元素的种类和Zr元素的摩尔比有关，该巨自旋霍尔角合金材料的最大室温自旋霍尔角超过0.4，可通过将铁磁薄膜中自旋泵浦产生自旋流注入到5d重金属-锆合金薄膜中，测试逆自旋霍尔电压(VISHE)，得到5d重金属-锆合金薄膜的自旋霍尔角，具有很大的自旋轨道力矩。
其中，5d重金属-锆合金薄膜采用纯度高于99.995％的5d重金属和纯度高于99.95％的锆作为原材料。5d重金属是指含有5d轨道电子的金属，5d重金属包括但不限于Pt，Ta，W，Ir，Gd，La，Sm，Nd和Ce等中的一种或多种。
在一些示例中，软磁薄膜层包括但不限于钴铁、镍铁以及钴铁硼中的一种或多种。
软磁薄膜层还可以是钇铁石榴石、钴等。
在一些示例中，5d重金属-锆合金薄膜的厚度为1-20nm。
不同5d金属的锆合金材料的自旋霍尔角大小不一样，相同翻转电流密度或者翻转效率，对应的薄膜厚度是不一样的。
在一些示例中，软磁薄膜层的厚度为1-10nm。
软磁薄膜层的厚度为1-10nm时，软磁薄膜通过界面效应能够保持面外磁各向异性，电流翻转磁矩效率高，所需翻转电流密度低。
实施例二：
一种巨自旋霍尔角合金材料的制备方法，包括：在纳米级平整表面的基片上基于物理气相沉积技术生长5d重金属-锆合金薄膜；在5d重金属-锆合金薄膜上基于物理气相沉积技术生长软磁薄膜层。
5d重金属-锆合金通过物理气相沉积技术沉积在纳米级平整表面的基片形成5d重金属-锆合金薄膜，再通物理气相沉积技术在5d重金属-锆合金薄膜上沉积软磁薄膜层最终制得巨自旋霍尔角合金材料。
在一些示例中，基片需要丙酮、酒精以及去离子水中的一种或多种清洗。
用于清洗基片表面，使基片表面洁净。
在一些示例中，基片为半导体、绝缘体以及金属基片中的一种或多种。
不同应用需求下，基片(器件的承载体)不同，大多数为半导体基片，也有部分应用需要生长在二氧化硅、氧化镁等绝缘体衬底上，或者是单晶金属基片上。
在一些示例中，物理气相沉积技术采用磁控溅射设备实施。
选用磁控溅射设备实现物理气相沉积技术，可通过真空磁控溅射生长的方式将5d重金属-锆合金沉积在基片上，再通过真空磁控溅射生的方式在5d重金属-锆合金薄膜上沉积软磁薄膜层。
在一些示例中，在基片上基于磁控溅射设备生长5d重金属-锆合金薄膜一种巨自旋霍尔角合金材料的制备方法包括：
使磁控溅射设备中的真空室在10-5Pa真空环境下，以10-30SCCM的氩气流量通入磁控溅射设备的真空室中直至背底真空度0.26-0.5Pa；
在真空室0.26-0.5Pa的压力下，打开磁控溅射设备的磁控溅射电源，以20-50W的直流功率对5d重金属-锆合金靶材进行预溅射，用氩离子轰击清洗5d重金属-锆合金靶材表面；
打开磁控溅射设备中5d重金属-锆合金靶材前的挡板，以0.1转每秒的转速匀速旋转长有5d重金属-锆合金薄膜的基片，到达设定的生长时间后，关闭磁控溅射设备的磁控溅射电源和挡板，得到所述5d重金属-锆合金薄膜。
在一些示例中，磁控溅射设备在基片上沉积完5d重金属-锆合金薄膜后，继续再5d重金属-锆合金薄膜沉积软磁薄膜层。
当5d重金属-锆合金为铂锆合金时，选用纯度高于99.995％的金属铂和纯度高于99.95％的金属锆作为原料，熔炼制成铂锆合金靶材，且铂锆合金靶材中锆组分在20％，基片选用Si基片。
将5d重金属-锆合金靶材装在磁控溅射设备的腔体靶位内，对Si基片经过丙酮、酒精以及去离子水的清洗，用氮气吹干，保证Si基片表面洁净，将si基片放入磁控溅射设备中生长Pt0.8Zr0.2合金薄膜,具体过程为：
(1)在10-5Pa量级的真空环境下，以10SCCM的氩气流量通入真空室，待气压稳定后，真空室的背底真空度为0.26Pa；
(2)在0.26Pa气压环境下，打开磁控溅射电源，以20W的直流功率进行靶材的预溅射，用氩离子轰击清洗高纯铂锆靶材表面；
(3)打开靶材的挡板，等待以0.1转每秒的转速，匀速旋转长有铂锆合金薄膜，到达设定的生长时间后，关闭溅射电源和靶材挡板，得到所述的铂锆合金薄膜材料。
(4)继续在Pt0.8Zr0.2合金薄膜上生长铁磁绝缘体钇铁石榴石薄膜材料30纳米。
参见图1，为本实施例所得到的Pt0.8Zr0.2合金薄膜/YIG薄膜材料的自旋泵浦效应示意图，磁性薄膜产生自旋流注入到Pt0.8Zr0.2合金薄膜中，通过逆自旋霍尔效应产生逆自旋霍尔电压，得到Pt0.8Zr0.2合金薄膜材料的自旋霍尔角大小。测试反自旋霍尔电压(VISHE)约为18.5微伏，得到巨自旋霍尔效应的Pt0.8Zr0.2合金薄膜，该材料的室温自旋霍尔角度为0.36，室温自旋扩散长度为2.6nm。
当5d重金属-锆合金为钽锆合金时，选用纯度高于99.995％的金属钽和纯度高于99.95％的金属锆作为原料，熔炼制成钽锆合金靶材，且钽锆合金靶材中锆组分在30％，基片选用Si基片。
本实施例所得到的Ta7Zr3合金薄膜/CoFeB薄膜材料的自旋泵浦效应示意图，磁性薄膜产生自旋流注入到Ta7Zr3合金薄膜中，通过逆自旋霍尔效应产生逆自旋霍尔电压，得到Ta7Zr3合金薄膜材料的自旋霍尔角大小。该材料的自旋霍尔角度为-0.33，室温自旋扩散长度为2.5nm。
实施例三：
一种巨自旋霍尔角合金材料的应用，基于任一项巨自旋霍尔角合金材料的应用于自旋电子高密度SOT-MRAM存储器、自旋传感器以及量子计算中。
即可作为某些需要高电荷流-自旋流转换效率的元件材料使用。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。
Claims (10)
1.一种巨自旋霍尔角合金材料，其特征在于，所述巨自旋霍尔角合金材料包括：
5d重金属-锆合金薄膜，其中所述锆元素组分为0.01-0.5；以及
在5d重金属-锆合金薄膜上的软磁薄膜层。
2.根据权利要求1所述的一种巨自旋霍尔角合金材料，其特征在于，所述软磁薄膜层包括但不限于钴铁、镍铁以及钴铁硼中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的一种巨自旋霍尔角合金材料，其特征在于，所述5d重金属-锆合金薄膜的厚度为1-20nm。
4.根据权利要求1所述的一种巨自旋霍尔角合金材料，其特征在于，所述软磁薄膜层的厚度为1-10nm。
5.一种巨自旋霍尔角合金材料的制备方法，其特征在于，包括：
在纳米级平整表面的基片上基于物理气相沉积技术生长5d重金属-锆合金薄膜；
在5d重金属-锆合金薄膜上基于物理气相沉积技术生长软磁薄膜层。
6.根据权利要求5所述的一种巨自旋霍尔角合金材料的制备方法，其特征在于，所述基片需要丙酮、酒精以及去离子水中的一种或多种清洗。
7.根据权利要求5所述的一种巨自旋霍尔角合金材料的制备方法，其特征在于，所述基片为半导体、绝缘体以及金属基片中的一种或多种。
8.根据权利要求5所述的一种巨自旋霍尔角合金材料的制备方法，其特征在于，所述物理气相沉积技术采用磁控溅射设备实施。
9.根据权利要求8所述的一种巨自旋霍尔角合金材料的制备方法，其特征在于，所述在基片上基于磁控溅射设备生长5d重金属-锆合金薄膜一种巨自旋霍尔角合金材料的制备方法包括：
使磁控溅射设备中的真空室在10-5Pa真空环境下，以10-30SCCM的氩气流量通入磁控溅射设备的真空室中直至背底真空度0.26-0.5Pa；
在真空室0.26-0.5Pa的压力下，打开磁控溅射设备的磁控溅射电源，以20-50W的直流功率对5d重金属-锆合金靶材进行预溅射；
用氩离子轰击清洗5d重金属-锆合金靶材表面；
打开磁控溅射设备中5d重金属-锆合金靶材前的挡板，以0.1转每秒的转速匀速旋转长有5d重金属-锆合金薄膜的基片；
到达设定的生长时间后，关闭磁控溅射设备的磁控溅射电源和挡板，得到所述5d重金属-锆合金薄膜。
10.一种巨自旋霍尔角合金材料的应用，其特征在于，基于权利要求1～4任一项所述巨自旋霍尔角合金材料的应用于自旋电子高密度SOT-MRAM存储器、自旋传感器以及量子计算中。
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