CN210837766U - 一种电控二维自旋过滤器件 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开一种电控二维自旋过滤器件，包括导电基片、与导电基片下表面连接的背栅电极、层叠设置在导电基片上表面的介电层、XN(X＝V,Cr,Mn)二维材料、过渡金属硫化物二维材料异质结构层、与过渡金属硫化物二维材料连接的源、漏电极，以及与过渡金属硫化物二维材料连接的第一检测电极与第二检测电极；该器件通过在与过渡金属硫化物二维材料连接的源、漏电极之间施加一个范围为‑10V～+10V的电压，可在第一检测电极与第二检测电极之间检测到一个自旋极化的电流，从而实现自旋过滤；该自旋极化的电流的自旋极化率可通过背栅电压调控，所述背栅电压是通过在背栅电极和与过渡金属硫化物二维材料连接的源电极之间施加一个范围为‑100V～+100V的电压。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种自旋过滤器件，尤其是一种电控二维自旋过滤器件。
背景技术
随着晶体管尺寸的逐渐减小以及单位面积晶体管密度的快速增加，原本的硅基材料似乎已经不能满足摩尔定律的要求，二维材料以其独特的结构优势，有望延续摩尔定律发展，在未来高密度、小尺度集成电路中发挥重要作用。同时，信息时代脚步的迈进使日益增长的信息量对电子元器件存储密度、运行速度、集成度及功耗提出更高要求。电子的另一内禀属性—自旋，引起了人们广泛关注，并拓展了自旋电子学这一新兴领域。结合二维材料研制的自旋电子学器件则同时兼具小尺度、高集成度、高运行速度与低功耗的优点，有望成为新一代电子元器件。自旋的过滤和操控是实现二维自旋电子器件发展的关键。目前用以实现自旋过滤的方法主要包括以下两种：(1)圆偏振光注入：通过圆偏振光照射半导体，使不同自旋取向的电子以不同概率从价带跃迁到导带，从而使导带上形成自旋极化的电子；(2)磁场引入塞曼分裂：利用磁场对材料自旋轨道耦合效应的调控，在能带中获得一个自旋相关的塞曼分裂，从而形成自旋极化的电子分布。然而这两种方法均不利于半导体器件的集成与兼容。
实用新型内容
本实用新型鉴于自旋过滤器件的设计需求，提出一种基于XN(X＝V,Cr,Mn)二维材料/过渡金属硫化物二维材料异质结构的二维自旋过滤器件；该器件采用全电学调控方式，可产生自旋极化的电流，解决自旋过滤、器件集成与兼容性问题。
为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种电控二维自旋过滤器件，包括导电基片、与导电基片连接的背栅电极、层叠设置在导电基片上表面的介电层、XN(X＝V,Cr,Mn)二维材料、过渡金属硫化物二维材料异质结构层、与过渡金属硫化物二维材料连接的源、漏电极，以及与过渡金属硫化物二维材料连接的第一检测电极与第二检测电极；该器件通过在与过渡金属硫化物二维材料连接的源、漏电极之间施加一个范围为-10V～+10V的电压，在第一检测电极与第二检测电极之间检测到一个自旋极化的电流，实现自旋过滤；
所述自旋极化的电流的自旋极化率可通过背栅电压调控，所述背栅电压是通过在背栅电极和与过渡金属硫化物二维材料连接的源电极之间施加一个范围为-100V～+100V的电压。
在一较佳实施例中：所述基片采用Si片、金属片、ITO、AZO中的一种。
在一较佳实施例中：所述介电层材料的厚度为50～1000nm。
在一较佳实施例中：所述XN(X＝V,Cr,Mn)二维材料的厚度d1满足范围为0<d1<500nm。
在一较佳实施例中：所述过渡金属硫化物二维材料化学式为MX2，其中M＝Mo、W，X＝S、Se。
在一较佳实施例中：所述过渡金属硫化物二维材料的厚度d2满足范围0<d2<100nm。
本实用新型的原理为：WS2二维材料与VN二维材料形成异质结构后可在价带顶K能谷处产生约630meV的自旋分裂，由此在价带顶K能谷处形成自旋极化的电子分布，因而当在源、漏电极之间施加一个面内电压时，WS2二维材料价带K和K’能谷的电子将向相反方向运动，在垂直于面内电压的方向上形成载流子积累；由于K和K’能谷的电子数量不平衡，从而将在第一检测电极与第二检测电极之间形成一个自旋极化的电流，从而实现自旋过滤，而该自旋电流的极化率可通过电场调节费米能级位置来加以调控。
相较于现有技术，本实用新型产生的有益效果是：本实用新型具有二维结构尺度，适用于0K<T<768K温度范围内，空气环境或真空环境中，可采用电学调控方式，在0～100％范围内调控电流的自旋极化率，从而解决自旋过滤、器件集成与兼容性问题。
附图说明
图1电控二维自旋过滤器件示意图。
图2 VN二维材料/WS2二维材料异质结构能带结构图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本实用新型作详细说明，但本实用新型保护的范围不仅限于下述实施例：
本实施例结构如图1所示，包含导电基片、与导电基片连接的背栅电极、层叠设置在导电基片上表面的介电层、XN(X＝V,Cr,Mn)二维材料/过渡金属硫化物二维材料异质结构层、与过渡金属硫化物二维材料连接的源、漏电极，以及与过渡金属硫化物二维材料连接的第一检测电极与第二检测电极；该器件通过在与过渡金属硫化物二维材料连接的源、漏电极之间施加一个范围为-10V～+10V的电压，可在第一检测电极与第二检测电极之间检测到一个自旋极化的电流，从而实现自旋过滤。
所述自旋极化的电流的自旋极化率可通过背栅电压调控，所述背栅电压是通过在背栅电极和与过渡金属硫化物二维材料连接的源电极之间施加一个范围为-100V～+100V的电压。
其中导电基片为n型掺杂的Si，介电层为300nm厚的SiO2，XN(X＝V,Cr,Mn)二维材料为厚度3nm的VN二维材料，过渡金属硫化物二维材料为单分子层WS2二维材料，厚度为0.8nm。
本实用新型的制作方法如下：
第一步，通过化学清洗(使用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗)获得清洁的SiO2/Si基片；
第二步，采用热蒸镀方法在SiO2/Si基片上制备厚度为3nm的VN二维材料；
第三步，采用转移技术在VN二维材料上转移单分子层WS2二维材料；1)取生长在蓝宝石上的单分子层WS2二维材料，在WS2表面旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate，PMMA)；待PMMA固化后，用NaOH溶液(～2mol/L)将SiO2层溶解；
2)将带有WS2二维材料的PMMA转移到带有VN二维材料的基片表面，待残留液体晾干后，将基片放置于加热台上，在120℃下加热1小时使WS2二维材料与VN二维材料更紧密接触；
3)将转移了WS2二维材料的基片浸泡于丙酮中数小时，以彻底溶解PMMA，从而在SiO2/Si基片上获得VN二维材料/WS2二维材料异质结构；WS2二维材料与VN二维材料形成异质结构后可在价带顶K能谷处产生约630meV的自旋分裂(如图2所示)，由此在价带顶K能谷处形成自旋极化的电子分布，且其自旋极化率可通过电场调节费米能级位置来加以调控。
第四步，在WS2二维材料表面制备源、漏电极、第一检测电极以及第二检测电极；
1)在WS2二维材料表面旋涂液态HMDS作为粘附层，之后旋涂PMMA电子束光刻胶并烘干；
2)进行电子束光刻，对PMMA光刻胶进行曝光，曝光后用显影液显影、定影吹干，在WS2二维材料表面得到设计的源、漏电极、第一检测电极以及第二检测电极图形；
3)对曝光后的WS2二维材料表面蒸镀Ti/Au导电电极，完成后用丙酮剥离光刻胶，消除残留的电子束光刻胶，然后在源、漏电极、第一检测电极以及第二检测电极上分别焊接引线；
第五步，采用热蒸镀方法在SiO2/Si基片下表面制备背栅电极，并焊接引线，从而制得电控二维自旋过滤器件。
以上所述仅为本实用新型的较佳实例而已，并不是用来限制本实用新型的，其他的凡是在本实用新型的相似原理、精神和原则之内所做的任何修改、替换和改进等，均应该包含在本实用新型的保护范围之内，本实用新型未详尽描述的内容均为常规技术内容。
Claims (6)
1.一种电控二维自旋过滤器件，其特征在于包括导电基片、与导电基片下表面连接的背栅电极、层叠设置在导电基片上表面的介电层、XN(X＝V,Cr,Mn)二维材料、过渡金属硫化物二维材料异质结构层、与过渡金属硫化物二维材料连接的源、漏电极，以及与过渡金属硫化物二维材料连接的第一检测电极与第二检测电极；该器件通过在与过渡金属硫化物二维材料连接的源、漏电极之间施加一个范围为-10V～+10V的电压，在第一检测电极与第二检测电极之间检测到一个自旋极化的电流，实现自旋过滤；
该自旋极化的电流的自旋极化率通过背栅电压调控，所述背栅电压是通过在背栅电极和与过渡金属硫化物二维材料连接的源电极之间施加一个范围为-100V～+100V的电压。
2.根据权利要求1所述一种电控二维自旋过滤器件，其特征在于：所述基片采用Si片、金属片、ITO、AZO中的一种。
3.根据权利要求1所述一种电控二维自旋过滤器件，其特征在于：所述介电层材料的厚度为50～1000nm。
4.根据权利要求1所述一种电控二维自旋过滤器件，其特征在于：所述XN(X＝V,Cr,Mn)二维材料的厚度d1满足范围为0<d1<500nm。
5.根据权利要求1所述一种电控二维自旋过滤器件，其特征在于：所述过渡金属硫化物二维材料化学式为MX2，其中M＝Mo、W，X＝S、Se。
6.根据权利要求1所述一种电控二维自旋过滤器件，其特征在于：所述过渡金属硫化物二维材料的厚度d2满足范围0<d2<100nm。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN201920995707.9U CN210837766U (zh) | 2019-06-28 | 2019-06-28 | 一种电控二维自旋过滤器件 |
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| CN201920995707.9U CN210837766U (zh) | 2019-06-28 | 2019-06-28 | 一种电控二维自旋过滤器件 |
Publications (1)
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| CN (1) | CN210837766U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114582727A (zh) * | 2022-03-01 | 2022-06-03 | 电子科技大学 | 一种基于空间对称性破缺二维材料能谷极化电流的调制方法 |
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2019
- 2019-06-28 CN CN201920995707.9U patent/CN210837766U/zh active Active
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114582727A (zh) * | 2022-03-01 | 2022-06-03 | 电子科技大学 | 一种基于空间对称性破缺二维材料能谷极化电流的调制方法 |
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