CN114335328B

CN114335328B - 金属-钛氧化物复合颗粒膜巨自旋霍尔角材料及制备方法

Info

Publication number: CN114335328B
Application number: CN202111432783.7A
Authority: CN
Inventors: 金立川; 徐鑫锴; 唐晓莉; 钟智勇; 向全军; 白飞明; 张怀武
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2021-11-29
Filing date: 2021-11-29
Publication date: 2023-10-20
Anticipated expiration: 2041-11-29
Also published as: CN114335328A

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

金属-钛氧化物复合颗粒膜巨自旋霍尔角材料及制备方法

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(θ_SH)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(V_ISHE)，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(V_ISHE)，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(V_ISHE)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

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-钛氧化物复合颗粒薄膜；所述金属-钛氧化物复合颗粒薄膜中，钛氧化物的摩尔百分比为1mol%~20mol%，金属的摩尔百分比为80 mol%~99 mol%；所述金属-钛氧化物复合颗粒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。

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-钛氧化物复合颗粒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-钛氧化物复合颗粒薄膜的厚度为10~50nm。

5. 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-钛氧化物复合颗粒薄膜，以及形成于金属-钛氧化物复合颗粒薄膜之上的磁性薄膜；其中，所述金属-钛氧化物复合颗粒薄膜中，钛氧化物的摩尔百分比为1mol%~20mol%，金属的摩尔百分比为80 mol%~99 mol%；所述金属-钛氧化物复合颗粒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.根据权利要求5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。

7.根据权利要求5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。

8.根据权利要求5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。