一种利用缓冲层提高自旋注入效率的方法

本发明涉及自旋电子学，尤其是涉及一种利用缓冲层提高自旋注入效率的方法。

背景技术：

1、自旋电子学主要研究电子自旋相关的注入、输运和检测过程，并致力于开发自旋存储器件和自旋逻辑器件。目前已经商用的自旋存储器件是基于磁隧穿结(mtj)的非挥发性磁随机存取存储器(mram)，但实现室温下自旋操控的自旋逻辑器件，至今还是科学界和产业界亟待解决的难题。攻克这个难题的关键一环是如何实现自旋电子在室温下的高效注入和无损输运。研究自旋注入和输运过程的基本器件是横向自旋阀，故制备出高性能自旋阀极为重要。

2、从二维材料发现以来，石墨烯以其超低的自旋轨道耦合和超长的自旋弛豫时间，被认为是最为理想的自旋输运通道。同时，后来发现的层状结构的六方系氮化硼(h-bn)符合理想隧穿层材料的一切特性。目前，主流的自旋注入方案就是铁磁电极隧穿注入，该方案易于实现，并且铁磁金属的居里温度远高于室温，但自旋注入效率还有待提高。究其原因，是铁磁电极和隧穿层的接触界面质量太低。因为制备铁磁金属电极的方法主要是电子束蒸发和热蒸发两种，在此过程中，铁磁金属原子较高的动能和热能常常将不足1nm的h-bn隧穿层击穿，发生元素相互扩散，甚至形成漏电通道，这将极大的降低自旋注入效率。

3、因此，自旋注入效率将直接受制于接触界面的类型(如欧姆接触、肖特基接触、隧穿接触)和质量(如洁净度、平整度、有无针孔等)。目前急需一种能制备出高质量无损的隧穿层接触界面的方法，以实现在室温下的高效自旋注入。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对室温下铁磁金属电极自旋注入效率低下的问题，提供具有良好隧穿接触，器件质量稳定可控，显著提高器件自旋注入效率的一种利用缓冲层提高自旋注入效率的方法及利用该方法制备的自旋电子器件。

2、本发明所述利用缓冲层提高自旋注入效率的方法，包括以下步骤：

3、1)采用机械剥离法在经预处理的硅衬底上制备长条状单层石墨烯；

4、2)制备双层h-bn并转移到单层石墨烯上作为隧穿层；

5、3)旋涂pmma，利用ebl系统曝光出设计好的铁磁电极形状，曝光结束后显影，再置于异丙醇中定影；

6、4)样品放入电子束/热蒸发复合镀膜系统，先用热蒸镀法预蒸镀低熔点金属铟作为缓冲层，再用电子束蒸镀钴作为铁磁电极层

7、5)在200℃的ar气氛下退火1h，形成in/co混溶合金界面，这种铁磁电极层-缓冲层-隧穿层的无损界面，有利于提高自旋注入效率。

8、在步骤1)中，所述预处理的具体步骤包括：将硅衬底依次放入丙酮、异丙醇和去离子水中超声清洗，再将硅衬底吹干，所述硅衬底包含纯净硅和300nm的顶部氧化层。

9、在步骤2)中，所述制备双层h-bn并转移到单层石墨烯上作为隧穿层的具体步骤包括：

10、(1)采用机械剥离的方法在涂覆有pmma/pmgi双胶层的纯硅衬底上得到双层h-bn晶体；

11、(2)以双层h-bn为中心，在物镜下沿视场边缘划一个圆圈，沿划痕滴入mf319溶剂以溶解底层的pmgi光刻胶；

12、(3)待pmgi完全溶解后，将载有双层h-bn晶体的圆形pmma膜浮于去离子水表面；

13、(4)采用中空金属环将pmma膜捞起晾干，翻转朝下，然后借助转移系统将h-bn/pmma膜转移到长条状石墨烯样品上；

14、(5)将转移得到的pmma/h-bn/石墨烯样品置于高纯丙酮中充分溶解pmma，然后在异丙醇中清洗，取出吹干，得到具有干净界面的h-bn/石墨烯异质结样品。

15、在步骤3)中，所述旋涂pmma，利用ebl系统曝光出设计好的铁磁电极形状，曝光结束后显影，再置于异丙醇中定影的具体步骤包括：

16、(1)将h-bn/石墨烯异质结样品吸附在匀胶机上，均匀旋涂聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)并烘干；

17、(2)将旋涂好pmma的样品放至电子束曝光机(ebl)的电子束腔体中，将腔体抽真空至10-6pa量级以下，在ebl系统中设计出电极形状，根据设计图，采用电子束轰击旋涂了pmma的样品，进行曝光操作，获取曝光后的图案；

18、(3)将所得样品置于显影液中进行显影，清除被曝光区域的pmma，露出h-bn的表面，然后将样品移至异丙醇中停止显影，定影后吹干。

19、在步骤4)中，所述预蒸镀低熔点金属铟作为缓冲层的具体方法可为：

20、(1)将步骤3)所得样品放入电子束/热蒸发复合镀膜系统，固定于样品台上；

21、(2)关闭腔门，开始抽真空，腔室内的极限真空度需要优于1×10-7torr；

22、(3)选择热蒸镀方式，靶材选用金属铟(in)，先将样品台水冷至20℃，蒸镀速率设置为0.2a/s～0.3a/s，蒸镀时间为100s，缓冲层厚度为2～3nm。

23、在步骤4)中，所述用电子束蒸镀钴作为铁磁电极层的具体方法可为：在蒸镀低熔点金属后，不打开腔门，在不暴露空气的情况下实现连续多层镀膜，待样品台冷却至20℃，选择电子束蒸镀方式蒸镀铁磁金属钴(co)，真空度需要优于5×10-6torr，电子枪功率设置为2kw，束流为200ma，蒸镀速率控制在0.5a/s～0.7a/s，镀膜时间为700s铁磁电极层的厚度为35～49nm。

24、与现有技术相比，本发明的有益效果：

25、(1)本发明易于实现，成本低廉，操作难度和技术要求低，非常利于自旋电子学器件的大规模产业化应用；

26、(2)利用本发明制备的自旋阀器件，隧穿层和缓冲层之间的接触界面完好，因为都是良好的隧穿接触，故制备的器件接触电阻不会有太大差异，器件质量稳定可控；

27、(3)直接蒸镀co的方法会打坏hbn，相较于传统的横向自旋阀器件，本发明利用缓冲层保护接触界面的方法制备出的器件自旋注入效率有非常显著的提高。有利于自旋电子学器件的实际应用；

28、(4)利用缓冲层保护接触界面的方法通用性非常好，可推广至其他带有隧穿层的自旋电子器件中，以提高器件的自旋注入效率，如自旋发光二极管、自旋场效应晶体管和基于磁隧穿结的mram等。

技术特征：

1.一种利用缓冲层提高自旋注入效率的方法，其特征在于包括以下步骤：

2.如权利要求1所述一种利用缓冲层提高自旋注入效率的方法，其特征在于在步骤1)中，所述预处理的具体步骤包括：将硅衬底依次放入丙酮、异丙醇和去离子水中超声清洗，再将硅衬底吹干，所述硅衬底包含纯净硅和300nm的顶部氧化层。

3.如权利要求1所述一种利用缓冲层提高自旋注入效率的方法，其特征在于在步骤2)中，所述制备双层h-bn并转移到单层石墨烯上作为隧穿层的具体步骤包括：

4.如权利要求1所述一种利用缓冲层提高自旋注入效率的方法，其特征在于在步骤3)中，所述旋涂pmma是将h-bn/石墨烯异质结样品吸附在匀胶机上，均匀旋涂pmma并烘干；所述利用ebl系统曝光出设计好的铁磁电极形状是将旋涂好pmma的样品放至电子束曝光机的电子束腔体中，将腔体抽真空至10-6pa量级以下，在ebl系统中设计出电极形状，根据设计图，采用电子束轰击旋涂了pmma的样品，进行曝光操作，获取曝光后的图案。

5.如权利要求1所述一种利用缓冲层提高自旋注入效率的方法，其特征在于在步骤3)中，所述显影是将所得样品置于显影液中进行显影，清除被曝光区域的pmma，露出h-bn的表面，然后将样品移至异丙醇中停止显影，定影后吹干。

6.如权利要求1所述一种利用缓冲层提高自旋注入效率的方法，其特征在于在步骤4)中，所述预蒸镀低熔点金属铟作为缓冲层的具体方法为：

7.如权利要求1所述一种利用缓冲层提高自旋注入效率的方法，其特征在于在步骤4)中，所述用电子束蒸镀钴作为铁磁电极层的具体方法为：在蒸镀低熔点金属后，不打开腔门，在不暴露空气的情况下实现连续多层镀膜，待样品台冷却至20℃，选择电子束蒸镀方式蒸镀铁磁金属钴，真空度需要优于5×10-6torr，电子枪功率设置为2kw，束流为200ma，蒸镀速率控制在0.5a/s～0.7a/s，镀膜时间为700s。

8.如权利要求1所述一种利用缓冲层提高自旋注入效率的方法，其特征在于在步骤4)中，所述缓冲层的厚度为2～3nm，铁磁电极层的厚度为35～49nm。

9.如权利要求1所述一种利用缓冲层提高自旋注入效率的方法，其特征在于在步骤5)中，所述ar气氛退火的具体方法为：

10.如权利要求1～9中任一所述一种利用缓冲层提高自旋注入效率的方法制备的自旋电子器件。

技术总结
一种利用缓冲层提高自旋注入效率的方法，涉及自旋电子学。在硅衬底上制备长条状单层石墨烯，再制备双层h‑BN并转移到单层石墨烯上作为隧穿层，旋涂PMMA，利用EBL系统曝光出铁磁电极形状，曝光结束后显影；将样品放入电子束/热蒸发复合镀膜系统，先用热蒸镀法预蒸镀低熔点金属铟作为缓冲层，再电子束蒸镀钴作为铁磁电极，200℃下氩气氛退火1h形成In/Co混溶合金界面，得有缓冲层的自旋阀器件。该方法形成铁磁电极层‑缓冲层‑隧穿层的无损界面，实现提高自旋注入效率。易于实现，成本低廉，操作难度和技术要求低，利于大规模产业化应用；方法通用性非常好，可推广至其他带有隧穿层的自旋电子器件中，提高器件自旋注入效率。

技术研发人员：傅德颐,黄世明,张波,陈家栋,赵永鑫
受保护的技术使用者：厦门大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12