[发明专利]一种利用缓冲层提高自旋注入效率的方法

说明书

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。

技术领域

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

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。

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。

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。

发明内容

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。

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：

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；

2)制备双层h-BN并转移到单层石墨烯上作为隧穿层；

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；

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

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。

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。

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：

(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；

(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；