一种局域压应变控制的范德华自旋阀结构单元、器件及控制方法与流程

1.本发明属于材料科学技术领域，具体涉及一种局域压应变控制的范德华自旋阀结构单元、器件及控制方法。


背景技术：

2.自旋阀是自旋电子学器件的基本单元及重要实际应用。根据不同的物理机制和工作原理，自旋阀可以分为基于巨磁电阻(gmr)效应和隧道磁电阻(tmr)效应两种器件。两种自旋阀的基本结构均为：反铁磁层/铁磁层/非磁层/铁磁层(afm/fm/nm/fm)。所不同的是，在gmr中非磁层为金属性材料，而tmr中则为非磁性半导体材料，依靠隧道效应，依然可以实现对电子的导通。自旋阀工作中，在外磁场下，反铁磁层对邻近的铁磁层有钉扎作用，该铁磁层不受外磁场影响，而远离反铁磁层的铁磁层则作为自由层，磁化方向随外磁场改变。两铁磁层磁化方向相同时，自旋流可以通过，磁化方向相反时，自旋流无法导通。上述两种状态可定义为逻辑信号“0”和“1”。随着社会及科技的发展，海量的数据对存储数据密度要求越来越高，同时也对读写磁头提出更高的要求。为了满足应用要求，需要研制低饱和场、稳定性好、gmr/tmr效应大、运行效率高的自旋阀器件。为了实现上述目的，研究人员开始了对各层选材以及器件结构优化的深入研究。然而，目前制备自旋阀均是将不同材料进行复合，利用不同材料的性质进行工作。这种器件在制备和使用过程中会带来许多困扰，如制备过程中需要考虑不同材料晶体结构之间的是否匹配，不同材料界面处是否存在较高的肖特基势垒等。单一材料不同相构成的异质结会极大的避免这些问题，但这要求对材料进行有效的相结构和性能调控。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种局域压应变控制的范德华自旋阀结构单元。本发明基于crs2与gec复合形成范德华异质结，通过局域压应变调控crs2相变，得到受磁性转变作用的范德华自旋阀结构单元，免除了不同性质不同材料的匹配问题，简化了结构，且制备工艺更为简单。
4.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种局域压应变控制的范德华自旋阀结构单元，其特征在于，包括基底，以及从下至上依次设置在基底上的第一gec层，crs2层和第二gec层，该范德华自旋阀结构单元由包括以下步骤的方法制备得到：
5.步骤一、在基底上生长形成第一gec层；
6.步骤二、在步骤一中形成的第一gec层上生长形成crs2层；
7.步骤三、在步骤二中形成的crs2层中调控，形成1t'相/2h相/1t'相的横向异质结；
8.步骤四、在步骤三中经调控后的crs2层上生长形成第二gec层，形成范德华异质结；
9.步骤五、向步骤三中形成的范德华异质结上施加磁场进行初始磁化，将横向异质
结的1t'相区域均调控为统一的磁化方向，得到初始磁化的范德华异质结；
10.步骤六、对步骤一中初始磁化的范德华异质结的一端1t'相区域的边缘施加局域垂直压应变，使得压应变区域中的1t'相转变为1t相，形成1t相/1t'相/2h相/1t'相的横向异质结，得到范德华自旋阀结构单元。
11.上述的一种局域压应变控制的范德华自旋阀结构单元，其特征在于，步骤一中所述基底为si、gaas、mgo或al2o3。
12.上述的一种局域压应变控制的范德华自旋阀结构单元，其特征在于，步骤三中所述调控的方法为化学气相沉积法、异质外延生长法、脉冲激光沉积法或磁控溅射法。
13.上述的一种局域压应变控制的范德华自旋阀结构单元，其特征在于，步骤六中所述局域垂直压应变对应的压强为5.5gpa以上。
14.另外，本发明还公开了一种包括如上述的范德华自旋阀结构单元的自旋阀器件，其特征在于，包括两个以上并联的范德华自旋阀结构单元。
15.另外，本发明还公开了一种用于对上述的自旋阀器件的控制方法，其特征在于，该控制方法的过程为：对自旋阀器件中的范德华自旋阀结构单元施加外磁场，然后对自旋阀器件连通外电路并输入电流，通过改变外磁场的施加方向，调节各范德华自旋阀结构单元的自旋状态，进而获取范德华自旋阀结构单元的外电路输出信号。
16.上述的控制方法，其特征在于，对自旋阀器件中的各范德华自旋阀结构单元分别施加外磁场。
17.本发明与现有技术相比具有以下优点：
18.1、针对于传统自旋阀异质结选用不同材料复合、而不同材料之间结构和电子结构难以实现良好匹配，并导致制备过程及工艺复杂的难题，本发明基于crs2与gec复合形成范德华异质结，通过局域压应变调控crs2相变，得到受磁性转变作用的范德华自旋阀结构单元，免除了不同性质不同材料的匹配问题，简化了结构，且制备工艺更为简单。
19.2、针对于传统自旋阀结构并无可控的工作和关闭状态，本发明的范德华自旋阀结构单元基于crs2与gec复合形成范德华异质结，通过局域压应变调控范德华自旋阀结构单元的关闭状态和待工作状态，实现了对关闭和待工作状态的调控。
20.3、本发明将两个以上的范德华自旋阀结构单元并联，使得各并联支路中的范德华自旋阀结构单元显示不同的电子导通状态，并定义为不同的逻辑信号，从而形成具有计算单元的自旋阀器件，以实现逻辑运算，具有广阔的应用前景。
21.4、本发明仅需通过改变外磁场方向即可实现对自旋阀器件的控制，简单可靠，易于实现，在逻辑运算和信息读写功能领域的应用潜力巨大。
22.5、本发明通过局域压应变调控材料局域相变，从而根据外加应力与材料的作用面积，任意调控局域相变范围，进而控制自旋阀器件的反铁磁层厚度，改变反铁磁层对临近铁磁层的钉扎作用，调控自旋阀器件磁场作用下的自旋极化率。
23.6、本发明实现了对任意数量的范德华异质结自旋阀进行压应变调控，方便了控制参与运算处理的单元数，以针对不同运算任务采用不同数量单元进行运算，便于能耗管理。
24.下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
25.图1a为crs2的1t相和1t'相以及gec的原子结构和晶格常数。
26.图1b为本发明范德华异质结局域压应变的原理图。
27.图2a为本发明范德华异质结的gec层间距与crs2的铁磁性变化关系图。
28.图2b为本发明范德华异质结的gec层间距与局域压应变的压力的关系图。
29.图3a为本发明范德华异质结的相结构示意图。
30.图3b为本发明范德华自旋阀结构单元的相结构示意图。
31.图4为本发明自旋阀器件的控制方法示意图。
具体实施方式
32.实施例1
33.本实施例的局域压应变控制的范德华自旋阀结构单元包括基底，以及从下至上依次设置在基底上的第一gec层，crs2层和第二gec层，该范德华自旋阀结构单元由包括以下步骤的方法制备得到：
34.步骤一、在基底上生长形成第一gec层；
35.步骤二、在步骤一中形成的第一gec层上生长形成crs2层；
36.步骤三、在步骤二中形成的crs2层中调控，形成1t'相/2h相/1t'相的横向异质结；
37.步骤四、在步骤三中经调控后的crs2层上生长形成第二gec层，形成范德华异质结；
38.步骤五、向步骤三中形成的范德华异质结上施加磁场进行初始磁化，将横向异质结的1t'相区域均调控为统一的磁化方向，得到初始磁化的范德华异质结；
39.步骤六、对步骤一中初始磁化的范德华异质结的一端1t'相区域的边缘施加局域垂直压应变，使得压应变区域中的1t'相转变为1t相，形成1t相/1t'相/2h相/1t'相的横向异质结，得到范德华自旋阀结构单元。
40.针对于传统自旋阀异质结选用不同材料复合、而不同材料之间结构和电子结构难以实现良好匹配，并导致制备过程及工艺复杂的难题，本发明基于crs2与gec复合形成范德华异质结构，具体地，在基底上形成的第一gec层表面生长形成crs2层，并对crs2层进行调控，形成1t'相/2h相/1t'相的横向异质结，然后在调控后的crs2层上生长形成第二gec层，形成范德华异质结，对其施加磁场进行初始磁化后，再对其一端1t'相区域的边缘施加局域压应变，使得应变区域中的1t'相转变为1t相，形成1t相/1t'相/2h相/1t'相的横向异质结，得到1t相crs2的反铁磁层、1t'相crs2的铁磁层、2h相crs2的非铁磁层、1t'相crs2的铁磁层组成的范德华自旋阀结构单元。
41.如图1a所示，crs2的1t相为反铁磁性相，而1t'相的带隙极小，具有一定金属性，为铁磁性相，由于crs2的1t'相和1t相结构的晶格常数与gec晶格常数非常接近，这两种材料具有较高的匹配度，因此，本发明基于crs2与gec复合的范德华自旋阀结构单元免除了不同性质不同材料的匹配问题，简化了结构，且制备工艺更为简单。
42.如图1b所示，本发明范德华异质结中crs2层的1t'相较为稳定，与上下两层的gec层构成铁磁基态，当向范德华异质结一端1t'相区域的边缘施加局域垂直压应变后，crs2层中的s原子与gec层中的ge原子的相互作用加强，诱发了1t'相crs2转变为1t相crs2，使得铁
磁基态转化为反铁磁态，得到1t相crs2的反铁磁层。
43.如图3a和图3b所示，本发明基于crs2与gec复合的范德华异质结，具有1t'相/2h相/1t'相的横向异质结，对应形成1t'相crs2的铁磁层、2h相crs2的非铁磁层、1t'相crs2的铁磁层的结构，由于该范德华异质结中缺少反铁磁层，尚不能起到自旋阀的功能，可看作为范德华自旋阀结构单元的关闭状态，当施加局域压应变后，对应应变区域中的1t'相转变为1t相，形成1t相/1t'相/2h相/1t'相的横向异质结，得到1t相crs2的反铁磁层、1t'相crs2的铁磁层、2h相crs2的非铁磁层、1t'相crs2的铁磁层组成的范德华自旋阀结构单元，该范德华自旋阀结构单元中具有反铁磁层，处于待工作状态；在外磁场作用下，该反铁磁层对邻近的铁磁层(即钉扎层)有钉扎作用，使其不受外磁场影响，而远离反铁磁层的铁磁层(即自由层)的磁化方向随外磁场改变，因此，当施加外磁场后，自由层与钉扎层磁化方向一致时，范德华自旋阀结构单元对自旋向上电子导通，当自由层与钉扎层磁化方向相反时，范德华自旋阀结构单元对所有电子均不导通，起到自旋阀结构的作用。
44.进一步地，本实施例的局域压应变控制的范德华自旋阀结构单元中所述基底为si、gaas、mgo或al2o3。通常选用上述半导体或绝缘层基板作为基底，起到支撑自旋阀器件核心材料的作用。
45.进一步地，本实施例的局域压变控制的范德华自旋阀结构单元的调控方法为化学气相沉积法、异质外延生长法、脉冲激光沉积法或磁控溅射法。本发明采用常规的调控方法即可在crs2层中形成1t'相/2h相/1t'相的横向异质结。
46.进一步地，本实施例的局域压变控制的范德华自旋阀结构单元的局域垂直压应变对应的压强为5.5gpa以上。本发明对范德华异质结的gec层间距与crs2的铁磁性变化关系进行研究，结果如图2a和图2b所示，随着范德华异质结的gec层间距(第一gec层与第二gec层之间的距离)的减小，当gec层间距小于后，crs2层中的铁磁基态的1t'相crs2转变为反铁磁态的1t相crs2，此时对应的压强为5.5gpa，因此，通过采用5.5gpa以上的局域压应变压强，保证了范德华异质结中局域压应变的有效发生，进而保证生成1t相crs2的反铁磁层，得到范德华自旋阀结构单元。
47.本实施例的自旋阀器件包括两个以上并联的范德华自旋阀结构单元。
48.由于本发明的范德华自旋阀结构单元在外磁场方向变化的条件下，显示出不同的电子导通性能，本实施例将两个以上的范德华自旋阀结构单元并联，使得各并联支路中的范德华自旋阀结构单元显示不同的电子导通状态，并定义为不同的逻辑信号，从而形成具有计算单元的自旋阀器件，以实现逻辑运算，具有广阔的应用前景。实践中，一个范德华自旋阀结构单元难以起到逻辑运算功能，通常采用两个以上甚至成千上万个范德华自旋阀结构单元以实现不同的应用功能。
49.进一步地，本实施例对自旋阀器件的控制方法过程为：对自旋阀器件中的范德华自旋阀结构单元施加外磁场，然后对自旋阀器件连通外电路并输入电流，通过改变外磁场的施加方向，调节各范德华自旋阀结构单元的自旋状态，进而获取范德华自旋阀结构单元的外电路输出信号。
50.如图4所示，本实施例通过施加外磁场对自旋阀器件进行控制，使得并联的各范德华自旋阀结构单元处于不同的电子导通状态即不同的自旋状态，当自旋阀器件连通外电路中输入非自旋极化电流时，在自旋方向均为向上即外磁场与初始磁化方向相同的范德华自
旋阀结构单元中只导通自旋向上的极化电流，而外磁场与初始磁化方向相反的范德华自旋阀结构单元中不导通自旋极化电流，即呈现不同的工作状态。由于不同自旋状态的范德华自旋阀结构单元导通的极化电流不同，检测到的外电路输出信号也有所不同，通常，将导通自旋向上的极化电流的状态规定为信号输出“1”，将不导通的状态规定为信号输出“0”，形成不同的逻辑信号，进而实现了逻辑运算。
51.本实施例的控制方法中对自旋阀器件中的各范德华自旋阀结构单元分别施加外磁场。通过对自旋阀器件中并联的各范德华自旋阀结构单元分别施加外磁场和压应变，方便了分别通过施加各自对应的外磁场以对各范德华自旋阀结构单元的自旋状态进行控制，可以较为容易地控制运算的范德华自旋阀结构单元数，便于器件能耗管理。
52.以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。