一种同轴自旋注入器件的制作方法

本发明涉及一种同轴自旋注入器件，它主要由一维自旋传输沟道与同轴环绕该自旋沟道的隧穿层及铁磁电极构成，利用自旋极化散射机制实现自旋注入，属于自旋电子器件领域。

背景技术：

随着自旋电子学的发展，自旋注入成为一种越来越重要的技术。当电流通过铁磁电极/隧穿层/自旋沟道/隧穿层/铁磁电极构成的横向自旋阀，由于电子通过铁磁电极与隧穿层的几率将依赖于其自旋方向，因此通过控制铁磁电极的磁化方向以及选择合适的隧穿层，就可以在自旋沟道中注入特定自旋方向的电子，实现自旋累积。进一步地，借助自旋转移矩等自旋相互作用机制以及不同极化方向的自旋流的叠加，可以利用自旋流实现逻辑运算，制得自旋逻辑器件。通过自旋注入技术，能够实现电流到自旋流的转化，利用自旋流进行逻辑运算，能够有效降低当前逻辑器件的功耗和发热问题，同时大幅度提高集成电路的集成度。

自旋注入器件主要由自旋沟道以及自旋注入电极构成。自旋沟道是自旋扩散的通道，目前常用的自旋沟道有碳纳米管、石墨烯和金属纳米线等。自旋注入电极主要由包覆层、铁磁层、隧穿层组成，其作用在于实现特定自旋方向电子的有效注入。包覆层的作用在于传导电子以及防止铁磁层氧化，目前常用的包覆层包括金(Au)、铂(Pt)等；铁磁层用于选择特定的自旋方向，常用的铁磁层包括铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)等铁磁金属及其合金；隧穿层则可以减少铁磁电极直接接触引起的自旋沟道中自旋极化电子的弛豫，提高自旋注入效率，常用的隧穿层包括氧化镁(MgO)，氧化铝(Al₂O₃)等。

传统的自旋注入器件，由于在自旋注入电极处，作为自旋沟道的材料(如石墨烯、碳纳米管等)和基底直接接触，导致了额外的电子散射问题，降低了自旋注入效率。同时，对于一维材料如碳纳米管的情况，由于其独特的中空圆柱拓扑结构，在自旋注入电极和碳纳米管的接触面上容易产生孔洞，导致自旋注入电极与沟道有效接触面积的不可控。

为了解决上述问题，本发明提出了一种同轴自旋注入器件，该器件的自旋注入电极同轴环绕一维自旋沟道，能够有效解决一维自旋沟道和基底的接触带来的散射问题，同时也避免了自旋注入电极/一维自旋沟道界面的孔洞问题，有效地提高了自旋注入效率。

技术实现要素：

一、发明目的

针对上述背景中提到的自旋注入器件所面临的电子散射和接触面积不可控的问题，本发明提出了一种同轴自旋注入器件，减少了自旋沟道和基底的直接接触，有效地降低了自旋沟道和基底接触带来的电子散射问题；同时也避免了自旋注入电极/一维自旋沟道界面的孔洞问题，提高了自旋注入器件的结构可控性和可靠性，提高了自旋注入效率，能够广泛地应用于自旋逻辑器件的制备。

二、技术方案

本发明的一种同轴自旋注入器件，如图2(a)所示，包括在一维材料上间排布的n个同轴自旋注入电极以及与同轴自旋注入电极互连的n个固定电极，以及负载以上结构的基底。(n的取值范围为1～100个，n最佳可取为4个，以下均以4个为例进行说明)。

本发明所述的同轴自旋注入电极为在一维圆柱形自旋沟道外依次环绕同轴隧穿层、同轴铁磁层和同轴包覆层；

本发明所述一维圆柱形自旋沟道直径为0.3-100nm，长度0.001-100mm，其材料包括碳纳米管、金属纳米线或者其他一维材料中的一种，其中碳纳米管包括单壁碳纳米管和多壁碳纳米管；

本发明所述同轴隧穿层为中空圆柱形，内径为0.3-100nm，厚度为0-10nm。其内径紧贴自旋沟道外径，材料包括氧化镁(MgO)、氮化铝(AlN)、氧化钛(TiO₂)、三氧化二铝(Al₂O₃)或其他隧穿材料中的一种；

本发明所述同轴铁磁层为中空圆柱形，内径为0.3-120nm，厚度为0.1-10μm。其内径紧贴同轴隧穿层外径，材料包括铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、钴铁(CoFe)、钴铁硼(CoFeB)、镍铁(NiFe)或其他铁磁材料中的一种；

本发明所述同轴包覆层为中空圆柱形，内径为0.1-10μm，厚度为0.1-100nm。其内径紧贴同轴铁磁层外径，材料包括包括金(Au)、铂(Pt)、铜(Cu)或其他金属材料中的一种；

本发明所述固定电极为中凸的长方体。具体形状参照附图2(a)所示。长度为0.01-100μm，宽度为0.01-10μm，厚度为0.01-10μm。其下表面紧贴同轴包覆层外径，材料包括金(Au)、铂(Pt)，铜(Cu)或其他金属材料中的一种；

本发明所述基底材料包括硅片、石英片或其他可作为基底的材料中的一种。

三、优点及功效：

相比于传统的自旋注入器件，本发明提出的一种同轴自旋注入器件具有以下优势：

(1)本发明采用了同轴环绕一维材料自旋沟道的自旋注入电极，避免了自旋注入电极覆盖区域自旋沟道和基底的直接接触，降低了接触面带来的电子散射问题，有效地提高了自旋注入效率。

(2)本发明提出同轴环绕一维自旋沟道的自旋注入电极，避免了由于一维材料特殊的中空圆柱形结构而导致的传统注入电极/自旋沟道接触面存在孔洞的问题，提高了自旋注入器件的可控性和可靠性。

附图说明

图1(a)为碳纳米管作为自旋沟道，采用铁磁电极/隧穿层/碳纳米管/隧穿层/铁磁电极自旋阀结构的传统碳纳米管自旋注入器件的俯视图。

图1(b)为图1(a)所示器件铁磁电极/隧穿层/碳纳米管结构的剖视图。

图2(a)为本发明同轴自旋注入器件的俯视图。

图2(b)为图2(a)的剖视图。

图3为基于同轴自旋注入器件的逻辑器件。

主要原件符号说明：

11、21 包覆层

12、22 铁磁层

13、23 隧穿层

14、24、34 碳纳米管

15、25、35 基底

17 自旋沟道/基底接触面

18 孔洞

26、36 固定电极

37 电容器

10 自旋注入电极

20x、201、202、203、204、301、302、303、304、305 同轴自旋注入电极

具体实施方式

参照附图，进一步说明本发明的实质性特点。在此公开的实施例，其特定的结构细节和功能细节仅是描述特定实施例的目的，因此，可以以许多可选择的形式来实施本发明，且本发明不应该被理解为仅仅局限于在此提出的示例实施例，而是应该覆盖落入本发明范围内的所有变化、等价物和可替换物。在实际制造过程中，各个步骤的工艺选择、顺序排列等视具体情况确定，且均包含于本发明公开的范围之内。

本发明提供一种同轴自旋注入器件。本发明公开的实施例是基于碳纳米管的同轴自旋注入器件，以下将参照附图，进一步说明本发明的实质性特点。附图中的示意图，其中涉及的各功能层或区域的厚度，面积与体积等参数并非实际尺寸。

图1(a)、图1(b)分别为碳纳米管作为自旋沟道，采用传统自旋注入电极的碳纳米管自旋注入器件的俯视图和剖视图，自旋注入电极10包括包覆层11、铁磁层12和隧穿层13。在该类型的自旋注入器件中，碳纳米管14和基底15直接接触，在其自旋沟道/基底接触面17产生了额外的电子散射；同时由于碳纳米管14独特的中空圆柱拓扑结，在铁磁层12、隧穿层13和碳纳米管14的接触面存在不可控的孔洞18，无法精确控制自旋注入面积，影响碳纳米管自旋注入器件的可控性和可靠性。

在本发明实施例中，我们采用了同轴自旋注入电极，解决了上述的两种问题。具体实施方式如下：

图(2)为同轴自旋注入器件俯视图，图2(b)为图2(a)的剖视图。如图2(a)和图2(b)所示，在碳纳米管24上依次排布有4个同轴自旋注入电极201，202，203，204。在本实施例中，碳纳米管24包括单壁碳纳米管和多壁碳纳米管，直径为0.3-100nm，长度0.001-100mm。也可采用包括银纳米线、铜纳米线等金属纳米线或者其他一维材料。同轴自旋注入电极由同轴隧穿层23、同轴铁磁层22，同轴包覆层21构成。其中，同轴隧穿层23，包括氧化镁(MgO)，氮化铝(AlN)，氧化钛(TiO₂)或三氧化二铝(Al₂O₃)以及其他隧穿材料中的一种，厚度为0-10nm；同轴铁磁层22，包括铁(Fe)，钴(Co)，镍(Ni)，钴铁(CoFe)、钴铁硼(CoFeB)或镍铁(NiFe)及其他铁磁材料中的一种，厚度为0.1-10μm；同轴包覆层21，包括金(Au)，铂(Pt)及其他金属材料中的一种，厚度为0.1-100nm，用于防止铁磁层氧化。单个同轴自旋注入电极40的长度为0.1-10μm，电极间距为0.1-1000μm。每个同轴自旋注入电极201，202，203，204均由固定电极26固定在基底25上。固定电极26的材料包括但是不限于钽(Ta)、钯(Pd)及其他金属材料中的一种，长度为0.01-100μm，宽度为0.01-10μm，厚度为0.01-10μm，以实现包覆有同轴隧穿层、铁磁层和包覆层的碳纳米管的固定及导电互连。基底25包括但不限于硅片、石英片等基底。

利用图2(a)所示的同轴自旋注入器件，可以用来进行自旋注入和测量。由于4个同轴自旋注入电极201、202、203、204具有一样的内外径，因此通过图形化刻蚀控制4个同轴自旋注入电极的宽度，可以使4个同轴自旋注入电极有不同的矫顽场。通过扫描外磁场，配置四个电极处于不同的磁化状态。例如，当同轴自旋注入电极201处于磁化向右，同轴自旋注入电极202、203、204均处于磁化向左的状态时，将一定强度的电流经由固定电极26从同轴自旋注入电极201流入，由同轴自旋注入电极202流出时，就能够实现同轴自旋注入电极201和202之间的碳纳米管自旋沟道中自旋向左的电子的注入。在同轴自旋注入电极201和202之间的碳纳米管沟道24积累的自旋向左的电子，通过扩散作用向右扩散，可以在同轴自旋注入电极203和204表现出不同的化学势，由此在同轴自旋注入电极203和204之间可以得到一个电压差，实现了自旋测量。

图3为基于同轴自旋注入器件的逻辑器件，包括同轴自旋注入电极301、302、303、304、305，碳纳米管34、基底35、固定电极36及电容器37等。通过控制同轴自旋注入电极302和304的磁化方向可以得到不同的逻辑门。如图中所示，设自旋向右为逻辑“1”，向左为逻辑“0”。当同轴自旋注入电极302、304如图中所示为自旋向右，即为逻辑“1”时，则可以得到以同轴自旋注入电极301、305为输入，同轴自旋注入电极303为输出的与非门。例如，当同轴自旋注入电极301、305的磁化方向中有一个为逻辑“0”时，则可以在自旋沟道中注入特定方向的自旋流，导致两种不同的自旋流之间有一个较大的化学势差，通过磁场翻转同轴自旋注入电极303的磁化方向，可以将这个电势差转化为在电容器37处一个较大的瞬时电流，利用这个瞬时电流，即得到逻辑“1”；而当同轴自旋注入电极301和305均为逻辑“1”时，则难以在自旋沟道中注入特定方向的自旋流，两种不同的自旋方向的化学势差很小，翻转同轴自旋注入电极303的磁化方向时，在电容器37处只可得到一个很小的瞬时电流，即为逻辑“0”。因此该同轴自旋逻辑器件表现为与非门。同样，还可以通过不同的同轴自旋注入电极302和304的磁化方向的配置还可以得到其他的逻辑门，例如当同轴自旋注入电极302、304均为逻辑“0”时，该自旋逻辑器件表现为或门。