非互易自旋波异质结波导材料及其制备方法和用途与流程

本发明涉及新材料技术领域，具体涉及一种非互易自旋波异质结波导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。自旋波(spinwaves)是在磁有序材料中电子自旋进动的集体传播过程，具有无热耗散、非欧姆接触、极高工作频率范围、实现室温玻色-爱因斯坦凝聚、磁子超流等宏观量子效应等优点。基于自旋波的信息传输、逻辑计算有可能成为后摩尔时代信息传输、处理的重要方式之一。自旋波的波导材料要求损耗低，即要求材料具有很低的阻尼因子，迄今阻尼最小的材料是单晶钇铁石榴石(yig)材料，理论阻尼可低至10^-6。当采用微波天线激发自旋波在yig中传播的时候，依据波矢k方向和面内磁场h方向的区别，可以分为两类不同类型的自旋波：(1)k⊥h,静磁表面波(magnetostaticsurfacemodes，mssw)；(2)k∥h,后向体波(backward-volumemagnetostaticwaves，bvmsw)。对于静磁表面波来讲，为了获得自旋波传播的非互易性，通常需要改变yig上下表面的自旋波传输“环境”。但是，很难改变单层yig薄膜上下表面的自旋波传输“环境”，其自旋波传输的非互易性不明显，仅仅是幅度上的差别，自旋波模式的峰位未发生变化。面对自旋波波导、自旋波逻辑器件等新型器件的迫切需求，研发具有显著非互易自旋波传输特性波导材料十分重要。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种非互易自旋波异质结波导材料及其制备方法。

第一方面，本发明提供的一种非互易自旋波异质结波导材料，该材料包括

ggg(钆镓石榴石)单晶基片；

以及yig/石墨烯异质结材料，所述yig/石墨烯异质结材料通过在所述ggg(钆镓石榴石)单晶基片表面生长一yig(钇铁石榴石)薄膜、并将单层石墨烯转移到所述yig薄膜烘干处理形成。

本发明中，作为一种优选的技术方案，所述yig(钇铁石榴石)薄膜采用液相外延或者气相外延(真空气相沉积)的方式生长于所述ggg(钆镓石榴石)单晶基片的表面。

本发明中，作为一种优选的技术方案，所述yig(钇铁石榴石)薄膜为单晶薄膜，厚度为100纳米-50微米。

本发明中，作为一种优选的技术方案，所述单层石墨烯利用化学气相沉积方法生长得到。

本发明中，作为一种优选的技术方案，所述的yig/石墨烯异质结材料最大直径3英寸。

以上材料通过自旋波共振技术激发和探测自旋波传输特性，获得自旋波在yig/ggg界面和yig/石墨烯中的非互易传输曲线，证实为一种新型非互易自旋波异质结波导材料。

第二方面，本发明提供了非互易自旋波异质结波导材料的制备方法，包括如下步骤：

s1：选择高纯度(高于99.99％)fe2o3和y2o3作为原材料，通过液相外延法或者真空气相沉积方法，在ggg单晶基片上生长高品质yig薄膜，得到ggg/yig衬底。

更详细的说，液相外延法生长yig薄膜，具体是将高纯度fe2o3、y2o3和bi2o3在1000-1100℃下熔融，bi2o3作为熔剂，充分搅拌溶液，用重铬酸钾和浓硫酸的混合液、去离子水、naoh和nahco3混合液、去离子水、异丙醇依次清洗ggg单晶基片，将ggg单晶基片置于铂金支架上，浸入液相环境，降低生长温度至900-980℃，缓慢旋转提拉杆，生长磁性yig单晶薄膜，得到ggg/yig衬底。

s2：利用化学气相沉积方法，在铜箔或镍箔上生长单层石墨烯薄膜，得到铜基或镍基石墨烯。

具体的说，是以甲烷等含碳化合物作为碳源，在镍箔、铜箔等具有溶碳量的金属基片上，在1000-1200℃基片温度下将碳源高温分解，碳原子渗入金属基片，再降低基片温度至800-900℃，碳原子会在金属基板表面析出，得到单层石墨烯薄膜。

s3：将pmma溶液滴到步骤s2得到的铜基或镍基石墨烯上，旋涂均匀后，置于加热板烘干，采用1mol/l的fecl3溶液刻蚀掉铜箔或镍箔，经过去离子水清洗，得到悬浮的单层石墨烯；

s4：将步骤s3中的单层石墨烯用步骤s1得到的ggg/yig衬底捞出，保证石墨烯的平整，去掉pmma层，在加热板上90℃烘干，制备得到yig/石墨烯异质结材料，即为非互易自旋波异质结波导材料。

在步骤s4中的yig/石墨烯异质结材料上，通过光刻和蒸发镀膜制备两个间距100-2000微米的共面波导天线，天线阻抗50欧姆，天线用于激发和探测自旋波，证实该材料为一种非互易自旋波异质结波导材料。

本发明中，作为一种优选的技术方案，所述真空气相沉积方法包括激光脉冲沉积法和磁控溅射法。

本发明中，作为一种优选的技术方案，步骤s1中，首先通过固相反应法制备y3fe5o12靶材，通过激光脉冲沉积方法，在ggg单晶基片上生长高品质yig薄膜，采用脉冲频率10-50hz，氧分压0.1-0.5pa，基片温度500-700℃。

本发明中，作为一种优选的技术方案，步骤s1中，首先通过固相反应法制备y3fe5o12靶材，通过磁控溅射方法，在ggg单晶基片上生长高品质yig薄膜，溅射功率30-70w，氧分压0.1-0.5pa，基片温度550-750℃。

第三方面，本发明提供的非互易自旋波异质结波导材料，在自旋电子学、自旋波波导、自旋波逻辑器件、量子计算领域具有广泛的应用前景，例如制作其中的核心元件，在此不作赘述。

由于采用以上技术方案，本发明具有如下有益效果：

本发明提出一种非互易自旋波异质结波导材料及其制备方法，简单可行的，所制得的yig/石墨烯异质结薄膜相对于单一yig薄膜上下表面传输的自旋波具有显著的非互易性，即yig/石墨烯异质结材料的上下表面传播的自旋波幅值和峰位均发生了显著改变，如自旋波幅值有36％，2ghz微波激励下，自旋波峰位移动了13oe，而自旋波异质结波导材料的厚度相比单层yig薄膜并未发生明显改变，只是覆盖了一层碳原子层(石墨烯)，为自旋波波导材料的研究和制备提供了一种新方案，在自旋电子学、自旋波波导、自旋波逻辑器件、量子计算等众多领域有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明所得到的ggg/yig/石墨烯异质结自旋波波导材料示意图；

图2为自旋波共振(swr)法测试的yig(200nm)/石墨烯体系中ggg/yig和yig/石墨烯界面的自旋波传输曲线。

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。

实施例1：

一种非互易自旋波异质结波导材料，该材料包括ggg(钆镓石榴石)单晶基片以及yig/石墨烯异质结材料，使用液相外延法在ggg单晶基片上生长高品质yig薄膜，在yig薄膜上，将化学气相沉积方法生长的单层石墨烯转移到高品质的yig薄膜上，烘干处理形成yig/石墨烯异质结材料，所述yig(钇铁石榴石)薄膜为单晶薄膜，厚度在100纳米，所述单层石墨烯利用气相沉积方法生长得到，所述的yig/石墨烯异质结材料最大直径3英寸。

以上材料的制备方法，包括以下步骤：

s1：选择高纯度(高于99.99％)fe2o3和y2o3作为原材料，通过液相外延方法，在ggg单晶基片上生长高品质yig薄膜，得到ggg/yig衬底，具体的说，本实施例中液相外延法具体是将高纯度fe2o3、y2o3和bi2o3在1000℃下熔融，bi2o3作为熔剂，充分搅拌溶液，用重铬酸钾和浓硫酸的混合液、去离子水、naoh和nahco3混合液、去离子水、异丙醇依次清洗ggg单晶基片，将ggg基片置于铂金支架上，浸入液相环境，降低生长温度至900℃，缓慢旋转提拉杆，生长磁性yig单晶薄膜，得到ggg/yig衬底；

s2：利用化学气相沉积方法，在铜箔上生长单层石墨烯薄膜，得到铜基石墨烯；本实施例中，化学气相沉积方法是以甲烷等含碳化合物作为碳源，在铜箔等具有溶碳量的金属基片上，在1000℃基片温度下将碳源高温分解，碳原子渗入金属基片，再降低基片温度至800℃，碳原子会在金属基板表面析出，得到单层石墨烯薄膜；

s3：将pmma溶液滴到步骤s2得到的铜基石墨烯上，旋涂均匀后，置于加热板烘干，采用1mol/l的fecl3溶液刻蚀掉铜箔，经过去离子水清洗，得到悬浮的单层石墨烯；

s4：将步骤s3中的单层石墨烯用步骤s1得到的ggg/yig衬底捞出，保证石墨烯的平整，去掉pmma层，在加热板上90℃烘干，制备得到yig/石墨烯异质结材料：

s5：在步骤s4中的yig/石墨烯异质结材料上，通过光刻和蒸发镀膜制备两个间距100微米的共面波导天线，天线阻抗50欧姆，天线用于激发和探测自旋波，证实为一种非互易自旋波异质结波导材料。

实施例2：

一种非互易自旋波异质结波导材料，该材料包括ggg(钆镓石榴石)单晶基片以及yig/石墨烯异质结材料，使用激光脉冲沉积(pld)方法在ggg单晶基片上生长高品质yig薄膜，在yig薄膜上，将气相沉积方法生长的单层石墨烯转移到高品质的yig薄膜上，烘干处理形成yig/石墨烯异质结材料，所述yig(钇铁石榴石)薄膜为单晶薄膜，厚度在500纳米，所述单层石墨烯利用气相沉积方法生长得到，所述的yig/石墨烯异质结材料最大直径3英寸。

以上材料的制备方法，包括以下步骤：

s1：选择高纯度(高于99.99％)fe2o3和y2o3作为原材料，通过固相反应法制备y3fe5o12靶材，通过激光脉冲沉积方法，在ggg单晶基片上生长高品质yig薄膜得到ggg/yig衬底，脉冲频率10hz，氧分压0.1pa，基片温度500℃；

s2：利用化学气相沉积方法，在镍箔上生长单层石墨烯薄膜，得到镍基石墨烯；本实施例中，化学气相沉积方法是以甲烷等含碳化合物作为碳源，在镍箔等具有溶碳量的金属基片上，在1200℃基片温度下将碳源高温分解，碳原子渗入金属基片，再降低基片温度至900℃，碳原子会在金属基板表面析出，得到单层石墨烯薄膜；

s3：将pmma溶液滴到镍基石墨烯上，旋涂均匀后，置于加热板烘干，采用1mol/l的fecl3溶液刻蚀掉镍箔，经过去离子水清洗，得到悬浮的单层石墨烯；

s4：将步骤s3中的单层石墨烯用步骤s1得到的ggg/yig衬底捞出，保证石墨烯的平整，去掉pmma层，在加热板上90℃烘干，制备得到yig/石墨烯异质结材料；

s5：在步骤s4中的yig/石墨烯异质结材料上，通过光刻和蒸发镀膜制备两个间距1000微米的共面波导天线，天线阻抗50欧姆，天线用于激发和探测自旋波，得到了一种非互易自旋波异质结波导材料。

实施例3：

一种非互易自旋波异质结波导材料，该材料包括ggg(钆镓石榴石)单晶基片以及yig/石墨烯异质结材料，使用磁控溅射方法在ggg单晶基片上生长高品质yig薄膜，在yig薄膜上，将气相沉积方法生长的单层石墨烯转移到高品质的yig薄膜上，烘干处理形成yig/石墨烯异质结材料，所述yig(钇铁石榴石)薄膜为单晶薄膜，厚度在1微米，所述单层石墨烯利用气相沉积方法生长得到，所述的yig/石墨烯异质结材料的面积为5×5cm²。

以上材料的制备方法，包括以下步骤：

s1：选择高纯度(高于99.99％)fe2o3和y2o3作为原材料，通过固相反应法制备y3fe5o12靶材，通过磁控溅射方法，在ggg单晶基片上生长高品质yig薄膜，制备得到ggg/yig衬底，溅射功率70w，氧分压0.5pa，基片温度750℃；

s2：利用化学气相沉积方法，在铜箔上生长单层石墨烯薄膜，得到铜基石墨烯；本实施例中，化学气相沉积方法是以甲烷等含碳化合物作为碳源，在铜箔等具有溶碳量的金属基片上，在1100℃基片温度下将碳源高温分解，碳原子渗入金属基片，再降低基片温度至850℃，碳原子会在金属基板表面析出，得到单层石墨烯薄膜；

s3：将pmma溶液滴到铜基石墨烯上，旋涂均匀后，置于加热板烘干，采用1mol/l的fecl3溶液刻蚀掉铜箔，经过去离子水清洗，得到悬浮的单层石墨烯；

s4：将步骤s3中的单层石墨烯用步骤s1得到的ggg/yig衬底捞出，保证石墨烯的平整，去掉pmma层，在加热板上90℃烘干，制备得到yig/石墨烯异质结材料。

s5：在步骤s4中的yig/石墨烯异质结材料上，通过光刻和蒸发镀膜制备两个间距2000微米的共面波导天线，天线阻抗50欧姆，天线用于激发和探测自旋波，得到了一种非互易自旋波异质结波导材料。

实施例4

一种非互易自旋波异质结波导材料，该材料包括ggg(钆镓石榴石)单晶基片以及yig/石墨烯异质结材料，使用磁控溅射方法在ggg单晶基片上生长高品质yig薄膜，在yig薄膜上，将气相沉积方法生长的单层石墨烯转移到高品质的yig薄膜上，烘干处理形成yig/石墨烯异质结材料，所述yig(钇铁石榴石)薄膜为单晶薄膜，厚度在15微米，所述单层石墨烯利用气相沉积方法生长得到，所述的yig/石墨烯异质结材料最大直径3英寸。

以上材料的制备方法，包括以下步骤：

s1：选择高纯度(高于99.99％)fe2o3和y2o3作为原材料，通过固相反应法制备y3fe5o12靶材，通过磁控溅射方法，在ggg单晶基片上生长高品质yig薄膜，制备得到ggg/yig衬底，溅射功率30w，氧分压0.1pa，基片温度550℃；

s2：利用化学气相沉积方法，在镍箔上生长单层石墨烯薄膜，得到镍基石墨烯；本实施例中，化学气相沉积方法是以甲烷等含碳化合物作为碳源，在镍箔等具有溶碳量的金属基片上，在1000℃基片温度下将碳源高温分解，碳原子渗入金属基片，再降低基片温度至900℃，碳原子会在金属基板表面析出，得到单层石墨烯薄膜；

s3：将pmma溶液滴到镍基石墨烯上，旋涂均匀后，置于加热板烘干，采用1mol/l的fecl3溶液刻蚀掉镍箔，经过去离子水清洗，得到悬浮的单层石墨烯；

s4：将步骤s3中的单层石墨烯用步骤s1得到的ggg/yig衬底捞出，保证石墨烯的平整，去掉pmma层，在加热板上90℃烘干，制备得到yig/石墨烯异质结材料。

s5：在步骤s4中的yig/石墨烯异质结材料上，通过光刻和蒸发镀膜制备两个间距1500微米的共面波导天线，天线阻抗50欧姆，天线用于激发和探测自旋波，得到了一种非互易自旋波异质结波导材料。

实施例5：

一种非互易自旋波异质结波导材料，该材料包括ggg(钆镓石榴石)单晶基片以及yig/石墨烯异质结材料，使用激光脉冲沉积(pld)方法在ggg单晶基片上生长高品质yig薄膜，在yig薄膜上，将气相沉积方法生长的单层石墨烯转移到高品质的yig薄膜上，烘干处理形成yig/石墨烯异质结材料，所述yig(钇铁石榴石)薄膜为单晶薄膜，厚度在1微米，所述单层石墨烯利用气相沉积方法生长得到，所述的yig/石墨烯异质结材料最大直径3英寸。

以上材料的制备方法，包括以下步骤：

s1：选择高纯度(高于99.99％)fe2o3和y2o3作为原材料，通过固相反应法制备y3fe5o12靶材，通过激光脉冲沉积方法，在ggg单晶基片上生长高品质yig薄膜得到ggg/yig衬底，脉冲频率50hz，氧分压0.5pa，基片温度700℃；

s2：利用化学气相沉积方法，在铜箔上生长单层石墨烯薄膜，得到铜基石墨烯；本实施例中，化学气相沉积方法是以甲烷等含碳化合物作为碳源，在铜箔等具有溶碳量的金属基片上，在1200℃基片温度下将碳源高温分解，碳原子渗入金属基片，再降低基片温度至900℃，碳原子会在金属基板表面析出，得到单层石墨烯薄膜；

s3：将pmma溶液滴到铜基石墨烯上，旋涂均匀后，置于加热板烘干，采用1mol/l的fecl3溶液刻蚀掉铜箔，经过去离子水清洗，得到悬浮的单层石墨烯；

s4：将步骤s3中的单层石墨烯用步骤s1得到的ggg/yig衬底捞出，保证石墨烯的平整，去掉pmma层，在加热板上90℃烘干，制备得到yig/石墨烯异质结材料；

s5：在步骤s4中的yig/石墨烯异质结材料上，通过光刻和蒸发镀膜制备两个间距1300微米的共面波导天线，天线阻抗50欧姆，天线用于激发和探测自旋波，得到了一种非互易自旋波异质结波导材料。

实施例6：

一种非互易自旋波异质结波导材料，该材料包括ggg(钆镓石榴石)单晶基片以及yig/石墨烯异质结材料，使用液相外延法在ggg单晶基片上生长高品质yig薄膜，在yig薄膜上，将气相沉积方法生长的单层石墨烯转移到高品质的yig薄膜上，烘干处理形成yig/石墨烯异质结材料，所述yig(钇铁石榴石)薄膜为单晶薄膜，厚度在100纳米，所述单层石墨烯利用气相沉积方法生长得到，所述的yig/石墨烯异质结材料最大直径3英寸。

以上材料的制备方法，包括以下步骤：

s1：选择高纯度(高于99.99％)fe2o3和y2o3作为原材料，通过液相外延方法，在ggg单晶基片上生长高品质yig薄膜，得到ggg/yig衬底，具体的说，本实施例中液相外延法具体是将高纯度fe2o3、y2o3和bi2o3在1100℃下熔融，bi2o3作为熔剂，充分搅拌溶液，用重铬酸钾和浓硫酸的混合液、去离子水、naoh和nahco3混合液、去离子水、异丙醇依次清洗ggg单晶基片，将ggg基片置于铂金支架上，浸入液相环境，降低生长温度至980℃，缓慢旋转提拉杆，生长磁性yig单晶薄膜，得到ggg/yig衬底；

s2：利用化学气相沉积方法，在镍箔上生长单层石墨烯薄膜；本实施例中，化学气相沉积方法是以甲烷等含碳化合物作为碳源，在镍箔等具有溶碳量的金属基片上，在1000℃基片温度下将碳源高温分解，碳原子渗入金属基片，再降低基片温度至900℃，碳原子会在金属基板表面析出，得到单层石墨烯薄膜；

s3：将pmma溶液滴到步骤s2得到的镍基石墨烯上，旋涂均匀后，置于加热板烘干，采用1mol/l的fecl3溶液刻蚀掉镍箔，经过去离子水清洗，得到悬浮的单层石墨烯；

s4：将步骤s3中的单层石墨烯用步骤s1得到的ggg/yig衬底捞出，保证石墨烯的平整，去掉pmma层，在加热板上90℃烘干，制备得到yig/石墨烯异质结材料：

s5：在步骤s4中的yig/石墨烯异质结材料上，通过光刻和蒸发镀膜制备两个间距100微米的共面波导天线，天线阻抗50欧姆，天线用于激发和探测自旋波，得到了一种非互易自旋波异质结波导材料。

检测实施例

选择实施例2制备得到的样品进行检测，如图1为本发明所得到的ggg/yig/石墨烯异质结自旋波波导材料示意图，图中，1代表ggg单晶基片，2代表磁性yig薄膜，3代表石墨烯薄膜，磁性yig薄膜上下表面传输的静磁表面波mssw的幅值和峰位发生显著改变，表现出典型的自旋波传输非互易性。如图2为自旋波共振(swr)法测试的yig(200nm)/石墨烯体系中ggg/yig和yig/石墨烯界面的自旋波传输曲线，激发频率2ghz，扫磁场得到yig上下界面处的自旋波传输曲线；其中，虚线表示ggg/yig界面的自旋波传输曲线，实线表示yig/石墨烯界面的自旋波传输曲线；在yig/石墨烯界面传输的自旋波幅度较ggg/yig界面自旋波幅度减小了36％，自旋波模式峰位移动了13oe(6.2％)，该异质结材料具有很强的非互易性自旋波传输特性。

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。