一种局域应变控制的自旋阀结构单元、器件及控制方法与流程

本发明属于材料科学技术领域，特别是涉及一种局域应变控制的自旋阀结构单元、器件及控制方法。

背景技术：

随着巨磁电阻效应(gmr)的发现，自旋电子学及其相关的应用研究迅速成为人们关注的热点研究领域。基于gmr效应的自旋阀是自旋电子学器件的一项重要应用。基于gmr效应的自旋阀往往由两层或更多的铁磁性导体材料构成，磁性材料层之间隔离层用非磁性的金属体构成，基本结构可以表示为：铁磁层/非磁性金属层/铁磁层(fm/m/fm)。当金属层两侧铁磁层的自旋极化方向相同时，与铁磁层自旋极化相同的电子导通；当金属层两侧铁磁层自旋极化方向相反时，所有电子均不导通。gmr效应在高密度读出磁头、磁存储元件上有着广泛的应用。随着技术的发展，当存储数据的磁区越来越小，存储数据密度越来越大，这对读写磁头提出更高的要求。巨磁阻物质中电流的增大与减小，可以定义为逻辑信号的0与1，进而实现对磁性存储装置的读取。巨磁阻物质可以将用磁性方法存储的数据，以不同大小的电流输出，并且即使磁场很小，也能输出足够的电流变化，以便识别数据，从而大幅度提高了数据存储的密度。然而，基于gmr效应的自旋阀存在反铁磁耦合效应导致饱和场很高，磁场灵敏度小等缺陷。为了改进这些缺陷，基于隧道磁电阻(tmr)的自旋阀开始引起人们的重视。tmr自旋阀与gmr自旋阀的唯一不同时用于隔离层使用半导体或绝缘体，基本结构可以表示为：铁磁层/非磁性绝缘层/铁磁层(fm/i/fm)。

目前制备自旋阀均是通过不同材料的相互复合。这种方法在实际中往往带来许多复杂的问题，如不同材料晶体结构之间的适配，较高的肖特基势垒等等。通过同一种材料不同相结构之间的复合可以很好的解决这些问题，但这要求该材料具有所有自旋阀不同层要求的性能。

技术实现要素：

为解决上述背景技术中存在的问题，本发明提供了一种局域应变控制的自旋阀结构单元，该自旋阀结构单元结构简单、材料单一，且可以通过外加应变进行调控。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种局域应变控制的自旋阀结构单元，其特殊之处在于：

包括基底，

以及，从下至上设置在基底上的第一电极层、第一铁磁层、隔离层、第二铁磁层和第二电极层。

优选地，上述第一铁磁层、第二铁磁层均采用二硫化铬。

优选地，上述第一铁磁层、第二铁磁层采用1t’相二硫化铬；隔离层采用2h相二硫化铬或1t相二硫化铬。

优选地，上述基底采用例如si、gaas、mgo基底等的半导体或绝缘体基板。

本发明还提出一种上述局域应变控制的自旋阀器件的制备方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)在基底上生长第一电极层；

2)在第一电极层生长第一铁磁层；

3)在第一铁磁层生长隔离层；

4)在隔离层生长第二铁磁层；

5)在第二铁磁层生长第二电极层。

一种局域应变控制的自旋阀器件，其特殊之处在于：

包括两个或两个以上的上述局域应变控制的自旋阀结构单元，所述两个或两个以上的上述局域应变控制的自旋阀结构单元并联。

另外，本发明还提出一种上述局域应变控制的自旋阀结构单元的控制方法，其特殊之处在于：

对第一铁磁层、第二铁磁层均施加拉力，自旋阀结构单元实现自旋向上电子导通；

对第一铁磁层、第二铁磁层均施加压力，自旋阀结构单元实现自旋向下电子导通；

对第一铁磁层施加拉力，对第二铁磁层均施加压力，自旋阀结构单元实现所有电子不导通；

对第一铁磁层施加压力，对第二铁磁层均施加拉力，自旋阀结构单元实现所有电子不导通。

本发明的优点：

1)传统的自旋阀结构单元、器件都是通过不同材料的复合形成的异质结结构。在制备此类异质结时材料之间晶体结构和电子结构的互相匹配往往是一个非常复杂的过程，因而制备过程相对复杂；而本发明的是基于单一crs2材料的结构单元、器件，其不同相之间的匹配难度大大降低，而且制备过程极大简化；

2)传统的自旋阀结构中使用的半金属材料往往只有单一的自旋极化状态，由此构成的自旋阀工作中是通过外加磁场改变材料的磁化方向改变来控制电路的导通或断路；而本发明的自旋阀结构单元、器件则完全可以不依赖磁场，只通过应变就可以改变半金属的极化方向，相比于磁场，应变更易于实现，更易于精确控制。

附图说明

图1为本发明基本理论计算依据；

图2为本发明用于局域应变控制的自旋阀结构单元的理论依据；

图3为本发明用于局域应变控制的自旋阀结构单元的结构示意图；第一铁磁层和第二铁磁层为1t’相crs2，隔离层为1t或2h相crs2；

图4为本发明用于局域应变控制的自旋阀结构单元、器件用于逻辑运算的示意图。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

参见图3，一种局域应变控制的自旋阀器件，包括基底，从下至上设置在基底上的第一电极层、第一铁磁层、隔离层、第二铁磁层和第二电极层。

作为本发明的一个优选实施例，上述第一铁磁层、第二铁磁层均采用二硫化铬。

作为本发明的一个优选实施例，上述第一铁磁层、第二铁磁层采用1t’相二硫化铬；隔离层采用2h相二硫化铬或1t相二硫化铬。

作为本发明的一个优选实施例，上述基底采用例如si、gaas、mgo基底等的半导体或绝缘体基板。

一种上述局域应变控制的自旋阀器件的制备方法，包括以下步骤：

1)在基底上生长第一电极层；

2)在第一电极层生长第一铁磁层；

3)在第一铁磁层生长隔离层；

4)在隔离层生长第二铁磁层；

5)在第二铁磁层生长第二电极层。

一种局域应变控制的自旋阀器件，包括两个或两个以上的上述局域应变控制的自旋阀结构单元，所述两个或两个以上的上述局域应变控制的自旋阀结构单元进行并联。

另外，参见图4，本发明还提出一种上述局域应变控制的自旋阀结构单元的控制方法，具体为：

对第一铁磁层、第二铁磁层均施加拉力，自旋阀结构单元实现自旋向上电子导通；

对第一铁磁层、第二铁磁层均施加压力，自旋阀结构单元实现自旋向下电子导通；

对第一铁磁层施加拉力，对第二铁磁层均施加压力，自旋阀结构单元实现所有电子不导通；

对第一铁磁层施加压力，对第二铁磁层均施加拉力，自旋阀结构单元实现所有电子不导通。

将上述不同自旋状态的自旋阀结构单元并联，形成一个具有多个计算单元的自旋阀器件；当外电路通过非自旋极化电流时，在自旋方向均为向上的单元中只导通自旋向上的极化电流，而在自旋方向均为向下的单元中只导通自旋向下的极化电流，除此以外自旋向上或向下的电流均不导通；不同的自旋状态的自旋阀单元导通的极化电流有所不同，外电路检测到的信号也有所不同，根据该检测到的信号，将自旋向上的极化电流规定为“1”，将自旋向下的极化电流规定为“0”。通过该自旋阀，就可以实现逻辑运算和信号的读写功能。

图1为crs2的2h，1t和1t’相原子结构。其中2h相为半导体性相，1t相为金属性相。1t’目前没有针对该相的研究；1t’可以看做由1t相畸变后形成的相，两种相的晶格常数不同；对1t’相进行拉伸或压缩可以调节其性能。

图2为crs2的1t’相在不同应变状态下的能带结构。参见图中(a)部分，该相在不施加应变时显示半导体的特征；参见图中(b)部分，当施加拉伸应变为6％时，自旋向上的电子对应的带隙消失，呈现出金属性，自旋向下的电子带隙仍然存在，呈现出半导体性，此时，该相为自旋向上的半金属；参见图中(c)部分，当施加压应变为-6％时，自旋向下的电子对应的带隙消失，呈现出金属性，自旋向上的电子带隙仍然存在，呈现出半导体性，此时，该相为自旋向上的半金属。

以上所述仅为本发明的实施例，并非以此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的系统领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。