一种自旋过滤材料及其制备方法、器件和应用与流程

本技术属于信息技术及微电子器件，尤其涉及一种自旋过滤材料及其制备方法、器件和应用。

背景技术：

1、传统的硅基集成电路器件中是以电子的电荷属性作为信息载体的，并通过不断缩小场效应晶体管的尺寸，增加其数量来实现性能和速度的提高，而随着硅基集成电路器件进入亚10纳米节点，场效应晶体管的尺度已达到极限；而电子除了电荷属性外，还具有自旋属性，电子的电荷属性和自旋属性都可以作为信息的载体，因此，将电子的自旋属性引入场效应晶体管中，可以提高硅基集成电路器件的性能，发展新一代的自旋电子器件。

2、将一束高度自旋极化流从铁磁性金属有效地注入到半导体中，叫做自旋注入，自旋注入是实现自旋电子器件最基本的条件，自旋注入是实现自旋电子器件最基本的条件；本征、完美的石墨烯中，由于自旋-轨道耦合弱，使自旋在其中的自旋扩散距离长，室温可到达微米量级，因此石墨烯是自旋器件的理想沟道材料，通过基于石墨烯的铁磁性材料可实现自旋注入，制备自旋电子器件，然而目前基于石墨烯的铁磁电极并不能很好的实现自旋过滤，制备得到的自旋电子器件存储性能不够优异。

技术实现思路

1、有鉴于此，本技术提供了一种自旋过滤材料及其制备方法、器件和应用，用于现有技术中基于石墨烯的铁磁性材料自旋过滤效果有待提高的技术问题。

2、本技术第一方面提供了一种自旋过滤材料，包括石墨烯和与石墨烯的边缘碳键合的非铁磁性金属原子。

3、优选的，所述非铁磁性金属原子选自钼原子、铜原子、铝原子、镁原子或锌原子。

4、需要说明的是，与钼类似，铜、铝、镁或锌都属于非铁磁性金属，钼原子与石墨烯边缘的碳构成边缘磁性，铜原子、铝原子、镁原子或锌原子也能与石墨烯边缘的碳构成边缘磁性。

5、优选的，所述石墨烯选自单层石墨烯、双层、三层石墨烯或少层石墨烯。

6、需要说明的是，单层石墨烯、双层石墨烯都是二维尺度的碳结构单元，单层石墨烯或双层石墨烯边缘的碳都能与非铁磁性金属原子构成边缘磁性。

7、本技术第二方面提供了一种自旋过滤器件，其特征在于，包括：基底、石墨烯和电极，所述电极包括非铁磁性金属电极；

8、所述非铁磁性金属电极至少部分覆盖在所述石墨烯；所述非铁磁性金属电极边缘的非铁磁性金属原子与所述石墨烯的边缘碳键合，所述石墨烯表面为矩形，所述金属电极图案的电极至少部分位于所述矩形内或，在所述石墨烯表面形成霍尔条带图案，所述金属电极图案中的电极包括至少2个电流电极和第一组电压测试电极，所述第一组测试电压电极与所述霍尔条带内的石墨烯条带一一对应，所述石墨烯条带宽度大于所述测试电压电极宽度。

9、需要说明的是，电极的引入可以构成电路回路，用于将自旋过滤材料过滤的自旋向上或向下方向的自旋电子注入器件中，制备自旋电子器件。

10、优选的，所述电流电极位于所述石墨烯第一方向的两端，所述第一组电压测试电极位于所述石墨烯第二方向的两端且相对设置。

11、优选的，所述非铁磁性金属电极还包括第二组电压测试电极，所述第二组电压测试电极位于所述石墨烯第二方向的两端且相对设置，所述第二组测试电压电极与所述霍尔条带内的石墨烯条带一一对应，所述石墨烯条带宽度大于所述测试电压电极宽度。

12、优选的，所述第一组测试电压电极在第二方向的的间距小于所述石墨烯条带在第二方向的间距。

13、优选的，所述自旋过滤器件中所述石墨烯为单层石墨烯或双层石墨烯。

14、优选的，所述石墨烯为单层石墨烯，所述非铁磁性金属电极覆盖的所述石墨烯的拉曼光谱中的g峰和2d峰消失。

15、优选的，所述非铁磁性金属电极覆盖的所述石墨烯至少被部分破坏。

16、优选的，所述电极为金属电极、非金属电极、坡莫合金电极中的至少一种。

17、优选的，所述金属电极选自非铁磁性金属电极和/或铁磁性金属电极；

18、所述非铁磁性金属电极选自钼电极、铜电极、铝电极、镁电极或锌电极。

19、所述铁磁性金属电极铁电极、钴电极或镍电极。

20、优选的，所述非金属电极选自多晶硅或单晶硅。

21、优选的，所述非铁磁性金属电极选自钼电极。

22、优选的，所述自旋过滤器件，还包括基底；

23、所述基底表面负载石墨烯。

24、优选的，所述基底包括衬底；

25、所述衬底为p型重掺杂硅片。

26、所述基底还包括介电层；

27、所述介电层覆盖所述p型重掺杂硅片。

28、所述介电层为二氧化铪或二氧化硅。

29、优选的，所述介电层为100-300nm厚的二氧化硅。

30、优选的，所述石墨烯选自单层或双层石墨烯。

31、本技术第三方面提供了一种自旋过滤器件的制备方法，包括以下步骤：

32、步骤s1、在石墨烯表面部分区域形成第一掩蔽层；

33、步骤s2、用非铁磁性金属原子流轰击破坏所述掩蔽层外的石墨烯表面；

34、步骤s3、在所述石墨烯表面形成预设金属电极图案；

35、步骤s4、在石墨烯表面形成矩形，所述金属电极图案的电极至少部分位于所述矩形内或，在所述石墨烯表面形成霍尔条带图案，所述金属电极图案的测试电压电极与所述霍尔条带内的石墨烯条带一一对应，所述石墨烯条带宽度大于所述测试电压电极宽度。

36、需要说明的是，在基底负载的石墨烯表面形成掩蔽层后，非铁磁性金属原子流轰击石墨烯表面，掩蔽层位置的石墨烯结构得到保护，非掩蔽层的位置的石墨烯结构被破坏形成缺陷，由于非铁磁性金属原子倾向于在石墨烯的边缘碳结合，使得非铁磁性金属原子与石墨烯的边缘碳键合生成了一维铁磁材料，然后剥离掩蔽层的位置的非铁磁性金属薄膜，石墨烯表面非掩蔽层位置的非铁磁性金属薄膜保留作为电极，因此通过上述方法制备得到了以非铁磁性金属为电极和包括石墨烯和与石墨烯的边缘碳键合的非铁磁性金属原子的自旋过滤材料的自旋过滤器件，与前述自旋过滤器件含有相应的特定技术特征。

37、优选的，步骤s2具体包括：用磁控溅射产生的非铁磁性金属原子流轰击破坏所述掩蔽层外的石墨烯结构；

38、所述磁控溅射的功率不低于150w。

39、优选的，所述磁控溅射的功率为150w～200w。

40、需要说明的是，磁控溅射等产生的非铁磁性金属原子受到掩蔽层和非掩蔽层基底阻碍，沉积在掩蔽层和基底上形成非铁磁性金属薄膜，剥离掩蔽层位置的非铁磁性金属薄膜后，基底表面沉积的非铁磁性金属薄膜与石墨烯边缘一维铁磁材料欧姆接触作为电极。

41、优选的，步骤s1具体包括：

42、步骤s11、在石墨烯表面旋涂光刻胶；

43、步骤s12、光刻蚀所述光刻胶，在所述石墨烯表面形成掩蔽层。

44、优选的，步骤s3具体包括：浸入丙酮溶液中剥离掩蔽层位置的非铁磁性金属薄膜。

45、优选的，步骤s3之后，还包括步骤s4：

46、步骤s41、在石墨烯表面旋涂第二光刻胶；

47、步骤s42、光刻蚀或电子束刻蚀所述第二光刻胶，在所述石墨烯表面形成第二掩蔽层；

48、步骤s43、去除第二掩蔽层外的石墨烯。

49、需要说明的是，由于石墨烯不能过滤自旋向上或向下的电子，所以刻蚀第二掩蔽层外的石墨烯可以改善自旋过滤器件的自旋过滤性能。

50、优选的，所述第二掩蔽层覆盖所述石墨烯和所述电极接触的边缘。

51、需要说明的是，与石墨烯的边缘碳键合的非铁磁性金属原子位于石墨烯和所述电极接触的边缘，因此，通过第二掩蔽层覆盖所述石墨烯和所述电极接触的边缘，可以保护与石墨烯的边缘碳键合的非铁磁性金属原子的铁磁性，改善自旋过滤器件的自旋过滤性能。

52、优选的，步骤s43具体包括：利用反应离子刻蚀技术去除第二掩蔽层外的石墨烯。

53、优选的，所述第二掩蔽层为矩形图案。

54、其中，以矩形图案为第二掩蔽层刻蚀第二掩蔽层外的石墨烯后的器件结构如图4所示。

55、优选的，所述第二掩蔽层为石墨烯霍尔条带图案。

56、其中，以石墨烯霍尔条带图案为第二掩蔽层刻蚀第二掩蔽层外的石墨烯后的器件结构如图5所示。

57、需要说明的是，由于石墨烯不能过滤自旋向上或向下的电子，第二掩蔽层为石墨烯霍尔条带图案制备得到的自旋过滤器件的自旋过滤性能高于第二掩蔽层为矩形图案制备得到的自旋过滤器件的自旋过滤性能。

58、本技术第四方面提供了自旋过滤器件在制备高密度储存器中的应用。

59、优选的，所述高密度储存器为高密度储存器。

60、需要说明的是，本技术提供的基于石墨烯的自旋过滤器件中

61、构成边缘磁性具有自我磁化能力，具有优越的自旋过滤的效果，因此，本技术提供的自旋过滤器过滤自旋向上或自旋向下的电子后，制备得到的自旋电子器件储存性能优异，可作为高密度存储器应用。

62、综上所述，本技术提供了一种自旋过滤材料、器件及其制备方法和应用；其中，自旋过滤材料包括石墨烯和与石墨烯的边缘碳键合的非铁磁性金属原子，与石墨烯的边缘碳键合的非铁磁性金属原子为边缘铁磁材料，将该自旋过滤材料与非铁磁性电极组成回路后，进行霍尔电阻检测，发现本技术提供的自旋过滤材料具有接近400欧姆的反常霍尔电阻，而反常霍尔电阻的大小反映了石墨烯边缘的边缘铁磁材料过滤的自旋向上或自旋向下的电子数量差异，说明本技术提供的基于石墨烯的自旋过滤器中非铁磁性金属原子与石墨烯的边缘碳构成的边缘铁磁材料会导致自旋向上和自旋向下的电子容易通过，而阻碍另一种自旋方向的电子通过，起到很好的自旋过滤的效果，从而解决现有技术中基于石墨烯的铁磁性材料自旋过滤效果有待提高的技术问题。