CN208722887U - 一种具有可控极化率的二维自旋电子器件 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种具有可控极化率的二维自旋电子器件，包含基底、层叠设置在基底上表面的增强光吸收层、III‑VI族硫属化物二维材料、铁磁金属层、BN二维材料保护层；以及与III‑VI族硫属化物二维材料连接的第一和第二沟道电极；该器件中铁磁金属层经由界面耦合效应向III‑VI族硫属化物二维材料注入自旋极化载流子，使器件在激光入射下激发产生自旋极化电子，并且在沟道回路中形成自旋电流，且自旋电流的极化率可由铁磁金属层中铁磁金属团簇的形貌及尺度控制。

Description

一种具有可控极化率的二维自旋电子器件

技术领域

本实用新型涉及一种自旋电子器件领域，特别是一种具有可控极化率的二维自旋电子器件。

背景技术

电子自旋自由度调控与现代半导体微电子学、光电子学中的能带剪裁工程结合起来将拓展半导体器件的功能和特性，它代表着今后几十年具有极大挑战性的技术，很有希望为未来信息技术带来革命性变化。近年来，半导体自旋电子器件的研制在世界发达国家受到高度重视，许多国际著名科研机构和大公司研发部门都投入了大量的人力和物力，在半导体器件结构中自旋极化的产生、注入、传输、操作和检测等方面研究均取得了十分重要的进展。目前，半导体自旋电子器件中自旋极化载流子的产生方式大致有两种：一是利用圆偏振的激光来激发，在原本无自旋极化的半导体中激发出自旋不均衡的载流子；另一种是将已自旋极化的载流子从一种材料(如铁磁金属、磁性半导体或者半金属) 注入到半导体材料中，从而实现自旋电子器件，而这一方法中为了实现自旋操纵和自旋的有效输运，必需要求在半导体器件中，自旋有足够长的驰豫时间和高的迁移率。多年来，人们积极探索了各种半导体材料，其中砷化镓(GaAs) 是研究最为广泛的材料之一。然而，由于轻重空穴带的简并和亚皮秒级的空穴自旋弛豫时间，其体材料中电子自旋极化率仅达到1/2，而最高圆偏极化率也仅为1/4。目前的自旋电子器件，仍存在室温自旋极化率不高及不易控制的问题。

实用新型内容

本实用新型所要解决的主要技术问题是自旋极化率的调控问题。

为了解决上述的技术问题，本实用新型提供了一种具有可控极化率的二维自旋电子器件，包含基底、层叠设置在基底上表面的增强光吸收层、III-VI族硫属化物二维材料、铁磁金属层、BN二维材料保护层；以及与III-VI族硫属化物二维材料连接的第一和第二沟道电极；

该器件中铁磁金属层经由界面耦合效应向III-VI族硫属化物二维材料注入自旋极化载流子，使器件在激光入射下激发产生自旋极化电子，并且在沟道回路中形成自旋电流，且自旋电流的极化率可由铁磁金属层中铁磁金属团簇的形貌及尺度控制。

在一较佳实施例中：所述基底采用表面光滑或表面具有纳米周期性图形的 Si片、SiO₂/Si片、玻璃片、云母片、蓝宝石、石英、PET塑料片、聚酰亚胺薄膜中的一种。

在一较佳实施例中：所述增强光吸收层为由表面等离子激元金属材料构成的颗粒状非周期性纳米结构或周期性纳米阵列结构中的一种。

在一较佳实施例中：所述颗粒状非周期性纳米结构的颗粒个体大小、颗粒状非周期性纳米结构的颗粒间距尺度均在30～600nm范围内。

在一较佳实施例中：所述周期性纳米阵列结构的周期单元结构、周期性纳米阵列结构的周期尺度均在30～600nm范围内。

在一较佳实施例中：所述III-VI族硫属化物二维材料为厚度d满足范围0< d<200nm。

在一较佳实施例中：所述铁磁金属层为由铁磁金属材料构成的颗粒状非周期性团簇结构或周期性团簇阵列结构中的一种，所述团簇的侧向尺度为1～4μm，纵向高度为1～50nm。

在一较佳实施例中：所述铁磁金属层的铁磁金属材料为铁、钴、镍金属中的一种或几种或其合金。

在一较佳实施例中：所述BN二维材料保护层为厚度为0～20nm。

在一较佳实施例中：所述可控极化率的二维自旋电子器件的工作温度T范围为0K≤T≤300K；所述可控极化率的二维自旋电子器件的工作环境为空气环境或真空环境；所述激光波长为300nm～580nm；所述激光功率为5μW～30mW。

相较于现有技术，本实用新型的技术方案具备以下有益效果：本实用新型提供了一种具有可控极化率的二维自旋电子器件，该器件中铁磁金属层经由界面耦合效应向III-VI族硫属化物二维材料注入自旋极化载流子，使器件在激光入射下激发产生自旋极化电子，并且在沟道回路中形成自旋电流，且自旋电流的极化率可由铁磁金属层中铁磁金属团簇的形貌及尺度控制。

附图说明

图1具有可控极化率的二维自旋电子器件结构示意图。

图2为机械剥离制备的GaSe二维材料的金相显微图像。

图3为Fe热蒸发沉积时间为10秒和40秒的GaSe二维材料表面AFM图像。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型作详细说明，但本实用新型保护的范围不仅限于下述实施例：

一种具有可控极化率的二维自旋电子器件，如图1所示，包含基底1、层叠设置在基底1上表面的增强光吸收层2、III-VI族硫属化物二维材料3、铁磁金属层4、BN二维材料保护层5；以及与III-VI族硫属化物二维材料3连接的第一和第二沟道电极6；

该器件中铁磁金属层4经由界面耦合效应向III-VI族硫属化物二维材料3 注入自旋极化载流子，使器件在激光入射下激发产生自旋极化电子，并且在沟道回路中形成自旋电流，且自旋电流的极化率可由铁磁金属层4中铁磁金属团簇的形貌及尺度控制。

所述增强光吸收层2为由表面等离子激元金属Ag构成的具有150nm特征尺度的颗粒状非周期性纳米结构。

所述III-VI族硫属化物二维材料3优选为GaSe二维材料，厚度大约为20 nm。

所述BN二维材料保护层5的厚度为3分子层(约1nm)。

所述铁磁金属层4为由Fe金属构成的颗粒状非周期性团簇结构。团簇侧向尺度为1～4μm，优选为1～2μm，纵向高度为1～50nm，优选为4～28nm，且团簇形貌较为一致。所述铁磁金属层4的铁磁金属材料还可以为钴、镍金属中的一种或几种或其合金。

本实用新型的制作方法如下：

第一步，采用热蒸发方法在SiO₂/Si基底1上制备Ag增强光吸收层2。

1)通过化学清洗(使用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗)获得清洁的SiO₂/Si 基底1；

2)将SiO₂/Si基底1放置于制备腔的磁力杆上，腔内放置一个直流加热灯丝，灯丝上挂载Ag金属源；

3)先用机械泵将腔内气压抽至低于10^-3torr，再用分子泵将气压抽至 10^-8torr以下，然后通过直流加热灯丝将Ag金属源加热至1000℃左右，待20s 后Ag金属源温度稳定，利用磁力杆将SiO₂/Si基底1推至Ag金属源正前方约15cm处；

4)控制沉积时间为20s后，利用磁力杆将基底1推至远离蒸发源，同时关闭直流加热电源，待30min后腔体基本冷却，向腔内通入氩气至大气压后取出基底1。

第二步，采用机械剥离与转移技术制备GaSe二维材料。

1)取一小片GaSe体材料，然后将其粘贴在粘性适当的胶带上，并取用另一片大小相当的胶带与其对粘撕开，反复进行几次对撕，将胶带上GaSe体材料减薄为约20nm的GaSe二维材料；

2)再将粘有GaSe二维材料的胶带贴至PDMS柔性薄膜上，轻轻按压后缓慢揭开，GaSe二维材料由此转移至PDMS柔性薄膜表面；

3)进而将附有GaSe二维材料的PDMS柔性薄膜覆盖至Ag增强光吸收层2 表面并轻轻压紧，随后将PDMS揭除，GaSe二维材料转移由此至Ag增强光吸收层2表面；

4)采用AFM测试GaSe二维材料的厚度，采用光学显微镜观测样品尺度及厚度均匀性，选取尺度10μm以上、厚度均匀、范围从单分子层到小于20nm的薄层，如图2所示。将样品并放置于退火炉中，采用机械泵将退火炉内气压抽至10^-3torr以下，通入流量为50sccm氩气后，在300℃下退火30min，去除转移过程中残留的有机杂质以及空气中吸附的气体分子。

第三步，在GaSe二维材料表面制备沟道电极6。可使用电子束曝光技术制备沟道电极6：

1)在GaSe二维材料表面上旋涂液态HMDS作为粘附层，之后旋涂PMMA光刻胶并烘干；

2)进行电子束光刻，曝光PMMA光刻胶，曝光后用显影液显影、定影吹干，得到设计的电极图形；

3)对曝光后的样品表面蒸镀Ti/Au金属电极，完成后用丙酮剥离光刻胶，去除残留的光刻胶和Ti/Au金属，然后在电极上焊接引线。

第四步，在GaSe二维材料表面，沟道电极6之间制备Fe金属团簇。可使用热蒸发方法制备Fe金属团簇：

1)将样品放置于制备腔的磁力杆上，腔内放置一个直流加热灯丝，灯丝上挂载Fe金属源，在实验中可通过调节沉积时间及灯丝与样品的间距控制Fe的覆盖度；

2)先用机械泵将腔内气压抽至低于10^-3torr，再用分子泵将气压抽至 10^-8torr以下，然后通过直流加热灯丝将Fe金属源加热至1400℃左右，待20s 后Fe金属源温度稳定，利用磁力杆将样品推至Fe金属源正前方约5cm处；

3)控制沉积时间在样品表面获得不同覆盖度的Fe金属团簇，之后利用磁力杆将样品推至远离蒸发源，同时关闭直流加热电源。待30min后腔体基本冷却，向腔内通入氩气至大气压后取出样品，并立即放置于氮气环境中保护以防止氧化。

可使用磁控溅射方法制备Fe金属团簇：

1)将样品放置于磁控溅射***的真空腔中，先用机械泵将腔内气压抽至低于10^{- 3}torr，再用涡轮分子泵将气压抽至10^-6torr以下，对靶材预溅射30min，以去除靶材表面氧化层及其它吸附杂质；

2)靶材处理完毕后，打开扫板阀，在射频信号100V的条件对正下方的GaSe 二维材料表面溅射Fe金属原子，控制溅射时间在样品表面获得不同覆盖度的Fe 金属团簇；

3)溅射完毕之后，关闭档板阀，向腔内通入氩气至大气压后取出样品，并立即放置于氮气环境中保护以防止氧化。

第五步，采用转移技术在Fe金属团簇表面制备BN二维材料保护层5。

1)取一小片生长在铜箔上的单分子层BN二维材料，在单分子层BN二维材料旋涂一层PMMA；待PMMA固化后，用(NH4)₂S₂O₈溶液(～1mol/L)将铜箔溶解；

2)将带有BN二维材料的PMMA转移到Fe金属团簇表面，待残留液体晾干后，将样品放置于加热台上，在120℃下加热1小时使BN二维材料与样品更紧密接触；

3)将转移了BN二维材料的样品浸泡于丙酮中数小时，以彻底溶解PMMA；

4)重复以上步骤2～4，转移3分子层BN二维材料，BN二维材料保护层5。

以上所述仅为本实用新型的较佳实例而已，并不是用来限制本实用新型的，其他的凡是在本实用新型的相似原理、精神和原则之内所做的任何修改、替换和改进等，均应该包含在本实用新型的保护范围之内，本实用新型未详尽描述的内容均为常规技术内容。

Claims (10)

1.一种具有可控极化率的二维自旋电子器件，其特征在于：包含基底、层叠设置在基底上表面的增强光吸收层、I I I-VI族硫属化物二维材料、铁磁金属层、BN二维材料保护层；以及与I I I-VI族硫属化物二维材料连接的第一和第二沟道电极；

该器件中铁磁金属层经由界面耦合效应向I I I-VI族硫属化物二维材料注入自旋极化载流子，使器件在激光入射下激发产生自旋极化电子，并且在沟道回路中形成自旋电流，且自旋电流的极化率可由铁磁金属层中铁磁金属团簇的形貌及尺度控制。

2.如权利要求1所述一种具有可控极化率的二维自旋电子器件，其特征在于：所述基底采用表面光滑或表面具有纳米周期性图形的S i片、S iO₂/S i片、玻璃片、云母片、蓝宝石、石英、PET塑料片、聚酰亚胺薄膜中的一种。

3.如权利要求1所述一种具有可控极化率的二维自旋电子器件，其特征在于：所述增强光吸收层为由表面等离子激元金属材料构成的颗粒状非周期性纳米结构或周期性纳米阵列结构中的一种。

4.如权利要求3所述一种具有可控极化率的二维自旋电子器件，其特征在于：所述颗粒状非周期性纳米结构的颗粒个体大小、颗粒状非周期性纳米结构的颗粒间距尺度均在30～600nm范围内。

5.如权利要求3所述一种具有可控极化率的二维自旋电子器件，其特征在于：所述周期性纳米阵列结构的周期单元结构、周期性纳米阵列结构的周期尺度均在30～600nm范围内。

6.如权利要求1所述一种具有可控极化率的二维自旋电子器件，其特征在于：所述I II-VI族硫属化物二维材料为厚度d满足范围0<d<200nm。

7.如权利要求1所述一种具有可控极化率的二维自旋电子器件，其特征在于：所述铁磁金属层为由铁磁金属材料构成的颗粒状非周期性团簇结构或周期性团簇阵列结构中的一种，所述团簇的侧向尺度为1～4μm，纵向高度为1～50nm。

8.如权利要求1所述一种具有可控极化率的二维自旋电子器件，其特征在于：所述铁磁金属层的铁磁金属材料为铁、钴、镍金属中的一种或几种或其合金。

9.如权利要求1所述一种具有可控极化率的二维自旋电子器件，其特征在于：所述BN二维材料保护层为厚度为0～20nm。

10.如权利要求1所述一种具有可控极化率的二维自旋电子器件，其特征在于：所述可控极化率的二维自旋电子器件的工作温度T范围为0K≤T≤300K；所述可控极化率的二维自旋电子器件的工作环境为空气环境或真空环境；所述激光波长为300nm～580nm；所述激光功率为5μW～30mW。