Au-Cu合金材料、包含其的纯自旋流器件及其应用
【技术领域】
[0001] 本发明设及自旋电子学技术领域，尤其是设及一种Au-化合金材料、包含其的纯 自旋流器件及其应用。
【背景技术】
[0002] 自旋电子学关注自旋相关的输运特性，其中自旋极化电流扮演了重要角色。对纯 自旋流，即极化率为100%的自旋极化电流的研究在近几年取得关键进展。纯自旋流能最大 限度的传递自旋角动量同时将产生的焦耳热降至最低，因此可用来制造新型自旋电子学器 件。目前与纯自旋流的产生和探测相关的技术主要有自旋累浦、自旋塞贝克效应、自旋霍尔 效应和逆自旋霍尔效应等，其中材料的自旋霍尔角是核屯、参数之一，它表征纯自旋流与电 荷流相互转化的效率，自旋霍尔角越大，利用纯自旋流现象工作的器件效率就越高也越节 能，因此如何提高材料的自旋霍尔角成为了首要的议题。
[0003] 现有技术中已发现，作为电极的常见贵金属销（Pt)具有很大的自旋霍尔角。在具 体的材料结构中，不论作为纯自旋流的探测材料还是利用自旋转移力矩效应调控磁结构， Pt都需要与相邻的一层铁磁层（FM)共同工作，进一步的研究证明在FM/Pt的双层膜结构中 与铁磁层紧邻的Pt会产生磁极化现象，即磁近邻效应，该会给材料的自旋霍尔角的测定带 来麻烦。
[0004] 因此需要寻找新的具有较大自旋霍尔角、且在一些方面具有比Pt更优性能的自 旋流生成材料。
【发明内容】
[0005] 本申请的发明人发现，虽然纯铜（化）的自旋霍尔角几乎为零，但是当将金（Au)渗 杂到化中时，能够显著提高化的自旋霍尔角。并且，本申请的发明人进一步发现，Au作为 一种常见贵金属在具有一定自旋霍尔角的同时完全不受磁近邻效应的影响。由此，本申请 的发明人产生了将Au-化合金用作自旋流生成材料的技术构思。
[0006] 本发明的目的旨在提供一种Au-化合金材料、包含其的纯自旋流器件及其应用， 该Au-化合金材料应用于纯自旋流器件中时具有较大的自旋霍尔角且无磁近邻效应。
[0007] 按照本发明的一个方面，提供了一种Au-化合金材料，其化学式为AUgCuiw_。，其中， 17%《a《83%。
[000引 进一步地，39%《a《61%。
[0009] 进一步地，化学式为Aug。化4C1。
[0010] 按照本发明的另一个方面，还提供了一种纯自旋流器件，包括用于产生纯自旋流 的自旋流生成材料体，其中，自旋流生成材料体由上述任一种的Au-Cu合金材料形成。
[001U进一步地，自旋流生成材料体为由Au-化合金材料形成的薄膜。
[0012] 进一步地，薄膜的厚度为1~lOOnm;优选为2~70nm;进一步优选为2~lOnm。
[0013] 进一步地，薄膜采用高真空磁控瓣射法制备而成。
[0014] 进一步地，Au-化合金材料的自旋霍尔角为0. 003~0. 01，优选为0. 01。
[0015] 按照本发明的又一个方面，还提供了一种纯自旋流器件，其包括用于产生纯自旋 流的自旋流生成材料体，其中，自旋流生成材料体由Au-化合金材料形成。
[0016] 按照本发明的再一个方面，还提供了一种Au-化合金材料在纯自旋流器件中的应 用。
[0017] 本申请的发明人惊奇地发现，Au-化合金材料形成的自旋流生成材料体是一种具 有大自旋霍尔角的材料，并且该Au-化合金材料没有其他材料（如Pt)的磁近邻效应问题。 本发明通过外禀散射机制（即通过渗杂的方式利用杂质原子散射来增强自旋霍尔效应）极 大地提高了Au-化合金材料的自旋霍尔角，尤其是当Au-化合金材料中的Au与化的原子 比为6:4时，合金材料的自旋霍尔角为0. 01，几乎可与公认的大自旋霍尔角材料Pt(自旋霍 尔角为0.013)相媳美，且Au-化合金材料还没有Pt中所存在的磁近邻效应。由于自旋霍 尔角越大，利用纯自旋流现象工作的器件效率就越高也越节能，因此，本发明为纯自旋流器 件提供了一种新的自旋流生成材料体，且Au-化合金材料可W广泛地应用在基于自旋流效 应的相关器件中。
[0018] 根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明 了本发明的上述W及其他目的、优点和特征。
【附图说明】
[0019] 后文将参照附图W示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。 附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，该些 附图未必是按比例绘制的。附图中：
[0020] 图1为本发明的一个实施例中用于测试Au-Cu合金薄膜的自旋霍尔效应的样品的 结构示意图；
[002U图2为本发明的一个实施例中测试Au-化合金薄膜的热电压的装置结构示意图；
[0022] 图3为实施例1中制备的样品的逆自旋霍尔电压值随外磁场的变化趋势示意图；
[0023] 图4a-4c为测试Au-化合金薄膜磁电阻的装置结构示意图，其中，
[0024] 4a为外场H在X轴和y轴所处平面（xyplane)内转动；
[0025] 4b为外场H在X轴和Z轴所处平面（XZplane)内转动；
[0026] 4c为外场H在y轴和Z轴所处平面（yzplane)内转动；
[0027] 图5a-化是实施例2中制备的样品的电阻随外场变化的曲线图，其中
[0028] 图5a为固定磁场方向（X轴、y轴、Z轴）测量电阻随磁场大小变化的曲线图；
[0029] 图化为固定磁场大小测量电阻随磁场在空间中的方向（xy平面、XZ平面W及yz 平面）变化的曲线图；
[0030] 图6是实施例3中制备的样品的霍尔效应曲线；
[00川图7是实施例4中制备的样品逆自旋霍尔电压与电阻率的比值关于AuecAi4冷金 薄膜厚度变化的曲线图；
[003引图8是实施例5中制备的样品自旋霍尔磁电阻大小关于AuwCuw合金薄膜厚度变 化的曲线。
【具体实施方式】
[0033] 为了解决现有技术中存在的用于纯自旋流器件的材料中所存在的自旋霍尔角不 够大且具有磁近邻效应（MP巧的问题，本发明提出了一种Au-化合金材料，其化学式为 AUaCuiw_。，其中，17 %《a《83 %。该材料所具有的外禀散射机制极大地提高了Au-Cu合金 的自旋霍尔角，且没有磁近邻效应问题，为纯自旋流器件提供了 一种新的材料，可W广泛地 应用在基于自旋流效应的相关器件中。
[0034] 优选地，Au-Cu合金材料的化学式为AUaCUi。。-。，其中，39%《a《61%。在本发明 的一个较佳实施例中，Au-化合金材料的化学式为AUecAUci。
[0035] 根据本发明的另一方面，还提供了一种纯自旋流器件，包括用于产生纯自旋流的 自旋流生成材料体，该自旋流生成材料体由上述任一种Au-化合金材料形成。自旋流生成 材料体可W是由Au-化合金材料形成的薄膜。本发明中将Au-化合金材料制备成薄膜状， 可W方便其性能的测量。
[0036] 在本发明的一个优选实施例中，当自旋流生成材料体为由Au-化合金材料形成的 薄膜时，薄膜的厚度可W为1~lOOnm。如果薄膜的厚度太薄或太厚，则会不利于信号的测 量，只有当薄膜的厚度和材料的自旋扩散长度（一般约为几纳米到几十纳米）相比拟时才 能很好的通过实验手段表征其自旋霍尔角。进一步优选地，薄膜的厚度为2~70nm。最优 选地，薄膜的厚度为2~10皿。
[0037] 在本发明的一个典型实施例中，采用高真空磁控瓣射法制备Au-化合金薄膜。采 用高真空磁控瓣射法的优点是成膜速率高，基片温度低，膜的粘附性好，可实现大面积锻 膜。
[003引本发明所制备的Au-化合金材料的自旋霍尔角为0. 003~0. 01。在Au-化合金材 料中，Au和化的原子比为6:4时，合金材料的自旋霍尔角为0. 01，几乎可与公认的大自旋 霍尔角材料Pt(自旋霍尔角为0. 013)相媳美，且与Pt相比Au-化合金材料没有磁近邻效 应。
[0039] 下面结合更具体的实施例进一步说明本发明的有益效果。
[0040] 实施例1
[004U1)取厚度约为0. 5mm的单晶乱嫁石恼石似IsGaAs)作为衬底。采用液相外延法 (LP巧在单晶乱嫁石恼石（GdsGasOis)衬底的（111)表面上生长厚度为5.5ym单晶锭铁石 恼石化化50i2，W下称YIG)薄膜。
[004引 2)采用磁控瓣射的方法在外延生长的YIG(lll)表面上沉积厚度为3皿的纯Au在 YIG薄膜上，从而得到一个多层膜结构的样品，记为样品a,用于测试Au-化合金热电压。磁 控瓣射的条件为：真空度为5Xl(T5Pa，Ar为瓣射气体，瓣射气压为0. 5Pa。
[0043] 另外，按照上述步骤1)和2)相同的方法，分别沉积相同厚度的非磁性金属薄膜层 八1183化17、4116。〇14。和41139化61，从而得到立个多层膜结构的样品，分别记为样品6、样品〇和样 品山均用于测试Au-化合金热电压。其中，每个样品的结构如图1所示，包括单晶乱嫁石恼 石衬底10、YIG薄膜层20和金属薄膜层30。
[0044] 由于在磁控瓣射生长过程中样品表面固定了掩膜版，非磁性金属Au化薄膜呈现 化11bar的形状。巧幢时在Au化薄膜的法线方向（Z轴）施加一温度梯度，外磁场施加在 化11bar的短轴方向（y