CN114335328A - 金属-钛氧化物复合颗粒膜巨自旋霍尔角材料及制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种金属‑钛氧化物复合颗粒膜巨自旋霍尔角材料，属于自旋电子新材料技术领域。所述巨自旋霍尔角材料为生长于基片之上的金属‑钛氧化物复合薄膜；所述金属‑钛氧化物复合薄膜中，钛氧化物的摩尔百分比为1mol％～20mol％，金属的摩尔百分比为80mol％～99mol％。本发明提供的金属‑钛氧化物复合颗粒膜巨自旋霍尔角材料及制备方法和应用，方法简单易行，制备得到的金属‑钛氧化物复合薄膜相对于纯的金属薄膜，其室温下的自旋霍尔角度显著增加(铂‑氧化钛薄膜的室温自旋霍尔角度可达1.6，比纯铂的自旋霍尔角0.15提高了一个数量级)，室温自旋扩散长度减小。
Description
技术领域
本发明属于自旋电子新材料技术领域，具体涉及一种金属-钛氧化物复合颗粒膜巨自旋霍尔角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。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/非磁性重金属”异质结体系，然而单一的非磁性重金属的自旋霍尔效应都较弱，最常用的重金属铂(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自旋霍尔效应的材料的紧迫需求，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。
发明内容
本发明的目的在于，针对背景技术存在的缺陷，提出一种金属-钛氧化物复合颗粒膜巨自旋霍尔角材料及制备方法和应用。本发明金属-钛氧化物复合颗粒膜在室温下具有很高的自旋霍尔角，且制备成本低，适用于磁控溅射工业化大规模生产。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种金属-钛氧化物复合颗粒膜巨自旋霍尔角材料，其特征在于，所述巨自旋霍尔角材料为生长于基片之上的金属-钛氧化物复合薄膜；所述金属-钛氧化物复合薄膜中，钛氧化物的摩尔百分比为1mol％～20mol％，金属的摩尔百分比为80mol％～99mol％。
进一步的，所述金属为Pt、W、Ta、Bi或其合金。
进一步的，所述钛氧化物为TiO2、TiO或Ti2O3。
进一步的，所述基片为半导体硅等；所述金属-钛氧化物复合薄膜采用物理气相沉积或磁控溅射法形成于基片之上；所述金属-钛氧化物复合薄膜的厚度为10～50nm。
进一步的，所述金属-钛氧化物复合薄膜采用高纯度金属靶材和钛氧化物靶材共溅射，或者金属-钛氧化物复合靶材磁控溅射法制备得到。具体过程为：在10-5Pa量级的真空环境下，以10～30SCCM的流量向真空室内通入氩气，待气压稳定至0.26～0.5Pa；在0.26～0.5Pa的气压环境下，打开磁控溅射电源，以20～60W的直流功率进行预溅射，用氩离子轰击清洗靶材表面；打开靶材的挡板进行溅射，以0.1转/秒的转速匀速旋转基片，到达设定的生长时间后，关闭溅射电源和靶材挡板，得到所述金属-钛氧化物复合薄膜。
一种自旋转矩翻转磁矩器件，其特征在于，包括基片，形成于基片之上的金属-钛氧化物复合薄膜，以及形成于金属-钛氧化物复合薄膜之上的磁性薄膜；其中，所述金属-钛氧化物复合薄膜中，钛氧化物的摩尔百分比为1mol％～20mol％，金属的摩尔百分比为80mol％～99mol％。
进一步的，所述金属为Pt、W、Ta、Bi或其合金。
进一步的，所述钛氧化物为TiO2、TiO或Ti2O3。
进一步的，所述磁性薄膜为钇铁石榴石薄膜、镍铁薄膜或者钴铁硼薄膜。
进一步的，所述金属-钛氧化物复合薄膜的厚度为10～50nm。
进一步的，所述金属-钛氧化物复合薄膜采用高纯度金属靶材和钛氧化物靶材共溅射，或者金属-钛氧化物复合靶材磁控溅射法制备得到。通过控制金属靶材和钛氧化物靶材共溅射功率，或金属-钛氧化物复合靶材的组分实现复合薄膜中钛氧化物含量的调节。
进一步的，所述金属靶材为纯度不低于99.99wt％的金属或合金靶材，所述钛氧化物靶材为纯度不低于99.99wt％的氧化钛靶材。
进一步的，所述金属-钛氧化物复合靶材为金属和氧化钛压制的复合靶材，靶材中氧化钛的摩尔百分比控制在1mol％～20mol％。
进一步的，通过自旋泵浦产生自旋流并注入到金属-钛氧化物复合薄膜中，测试不同厚度的金属-钛氧化物复合薄膜/磁性薄膜的室温逆自旋霍尔电压(VISHE)，测试金属-钛氧化物复合薄膜的电阻率，拟合得到金属-钛氧化物复合薄膜的室温自旋霍尔角度和自旋扩散长度。
由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果为：
本发明提供的金属-钛氧化物复合颗粒膜巨自旋霍尔角材料及制备方法和应用，方法简单易行，制备得到的金属-钛氧化物复合薄膜相对于纯的金属薄膜，其室温下的自旋霍尔角度显著增加(铂-氧化钛薄膜的室温自旋霍尔角度可达1.6，比纯铂的自旋霍尔角0.15提高了一个数量级)，室温自旋扩散长度减小；与纯金属材料的自旋霍尔效应相比，自旋流的产生效率增加，成本降低，可实现在大面积(8英寸和12英寸)半导体晶圆片上的均匀制备，为巨大自旋霍尔材料的大规模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。
附图说明
图1为实施例1得到的复合薄膜的逆自旋霍尔电压转换的电荷流大小；
图2为实施例1得到的复合薄膜的自旋霍尔角测试结果。
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。
一种金属-钛氧化物复合颗粒膜巨自旋霍尔角材料，其特征在于，所述巨自旋霍尔角材料为生长于基片之上的金属-钛氧化物复合薄膜；所述金属-钛氧化物复合薄膜中，钛氧化物的摩尔百分比为1mol％～20mol％，金属的摩尔百分比为80mol％～99mol％。其中，所述金属为Pt、W、Ta、Bi或其合金；所述钛氧化物为TiO2、TiO或Ti2O3。
一种自旋转矩翻转磁矩器件，其特征在于，包括基片，形成于基片之上的金属-钛氧化物复合薄膜，以及形成于金属-钛氧化物复合薄膜之上的磁性薄膜；其中，所述金属-钛氧化物复合薄膜中，钛氧化物的摩尔百分比为1mol％～20mol％，金属的摩尔百分比为80mol％～99mol％。通过磁性薄膜中自旋泵浦产生自旋流并注入到金属-钛氧化物复合薄膜中，测试不同厚度的金属-钛氧化物复合薄膜/磁性薄膜的室温逆自旋霍尔电压(VISHE)，得到金属-钛氧化物复合薄膜的室温自旋霍尔角度。经测试可知，实施例1的铂-氧化钛薄膜的室温自旋霍尔角度可达1.6，比纯铂的自旋霍尔角0.15提高了一个数量级，同时室温自旋扩散长度较纯铂减小。
实施例1
一种自旋转矩翻转磁矩器件的制备方法，具体包括以下步骤：
S1、选择铂-二氧化钛(Pt-TiO2)复合靶材作为溅射靶材，所述Pt-TiO2复合靶材是以纯度大于99.99wt％的铂颗粒作为母体、与纯度大于99.99wt％的二氧化钛粉末混合压制成的靶材，Pt-TiO2复合靶材中TiO2的摩尔百分比为4mol％、5mol％、6mol％和7mol％；
S2、将步骤S1得到的Pt-TiO2复合靶材装在磁控溅射设备腔体靶位；
S3、采用Si基片作为基底，经过丙酮、酒精以及去离子水清洗，用氮气吹干，以保证Si基片表面洁净；
S4、将步骤S3清洗后的基片放入磁控溅射设备中生长Pt-TiO2复合薄膜，具体过程为：
(1)在10-5Pa量级的真空环境下，以10SCCM的流量向真空室内通入氩气，待气压稳定至0.26Pa；
(2)在0.26Pa的气压环境下，打开磁控溅射电源，以20W的直流功率进行预溅射，用氩离子轰击清洗靶材表面；
(3)打开靶材的挡板进行溅射，以0.1转/秒的转速匀速旋转基片，到达设定的生长时间后，关闭溅射电源和靶材挡板，得到Pt96(TiO2)4、Pt95(TiO2)5、Pt94(TiO2)6、Pt93(TiO2)7薄膜；
S5、在得到的Pt96(TiO2)4、Pt95(TiO2)5、Pt94(TiO2)6、Pt93(TiO2)7薄膜上生长厚度为200nm的钇铁石榴石(YIG)薄膜。
磁性YIG薄膜产生自旋流注入到Pt96(TiO2)4、Pt95(TiO2)5、Pt94(TiO2)6、Pt93(TiO2)7复合薄膜中，通过逆自旋霍尔效应产生逆自旋霍尔电压，得到Pt96(TiO2)4、Pt95(TiO2)5、Pt94(TiO2)6、Pt93(TiO2)7复合薄膜的自旋霍尔角大小。如图1所示，测试反自旋霍尔电压(VISHE)与电阻率比值(电流)约为0.3～0.5微安，得到巨大逆自旋霍尔效应的Pt94(TiO2)6复合薄膜，该材料的室温自旋霍尔角度为1.6(如图2所示)。
实施例2
本实施例与实施例1相比，区别在于：步骤S1中，选择高纯度(高于99.99wt％)铂靶和高纯度(高于99.99wt％)二氧化钛靶材作为溅射靶材，铂靶和二氧化钛靶材共溅射，金属铂靶采用直流磁控溅射，功率20W；TiO2靶材采用射频溅射，功率范围20W～60W。其余步骤与实施例1相同。
对比例
采用与实施例1相同的步骤，选择高纯铂作为靶材，先生长Pt纳米薄膜，再在Pt纳米薄膜上生长厚度为200nm的钇铁石榴石薄膜，得到Pt/YIG(200nm)薄膜。
使用铁磁共振和逆自旋霍尔技术，测试对比例得到的Pt/YIG(200nm)薄膜和实施例1得到的Pt94(TiO2)6/YIG(200nm)体系的逆自旋霍尔电压和界面自旋混合电导，完成自旋霍尔角的拟合提取，室温下Pt94(TiO2)6复合薄膜的自旋霍尔角达到1.6。
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 (9)
1.一种金属-钛氧化物复合颗粒膜巨自旋霍尔角材料，其特征在于，所述巨自旋霍尔角材料为生长于基片之上的金属-钛氧化物复合薄膜；所述金属-钛氧化物复合薄膜中，钛氧化物的摩尔百分比为1mol％～20mol％，金属的摩尔百分比为80mol％～99mol％。
2.根据权利要求1所述的金属-钛氧化物复合颗粒膜巨自旋霍尔角材料，其特征在于，所述金属为Pt、W、Ta、Bi或其合金。
3.根据权利要求1所述的金属-钛氧化物复合颗粒膜巨自旋霍尔角材料，其特征在于，所述钛氧化物为TiO2、TiO或Ti2O3。
4.根据权利要求1所述的金属-钛氧化物复合颗粒膜巨自旋霍尔角材料，其特征在于，所述金属-钛氧化物复合薄膜采用物理气相沉积或磁控溅射法形成于基片之上；所述金属-钛氧化物复合薄膜的厚度为10～50nm。
5.根据权利要求1所述的金属-钛氧化物复合颗粒膜巨自旋霍尔角材料，其特征在于，所述金属-钛氧化物复合薄膜采用金属靶材和钛氧化物靶材共溅射，或者金属-钛氧化物复合靶材磁控溅射法制备得到。
6.一种自旋转矩翻转磁矩器件，其特征在于，包括基片，形成于基片之上的金属-钛氧化物复合薄膜，以及形成于金属-钛氧化物复合薄膜之上的磁性薄膜；其中，所述金属-钛氧化物复合薄膜中，钛氧化物的摩尔百分比为1mol％～20mol％，金属的摩尔百分比为80mol％～99mol％。
7.根据权利要求6所述的自旋转矩翻转磁矩器件，其特征在于，所述金属为Pt、W、Ta、Bi或其合金。
8.根据权利要求6所述的自旋转矩翻转磁矩器件，其特征在于，所述钛氧化物为TiO2、TiO或Ti2O3。
9.根据权利要求6所述的自旋转矩翻转磁矩器件，其特征在于，所述磁性薄膜为钇铁石榴石薄膜、镍铁薄膜或者钴铁硼薄膜。
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