基於Ga基二維鐵磁體異質結的自旋軌道矩器件及製備方法

2024-04-12 22:24:05

基於ga基二維鐵磁體異質結的自旋軌道矩器件及製備方法
技術領域
1.本發明屬於納米磁性器件技術領域，更具體地，涉及基於ga基二維鐵磁體異質結的自旋軌道矩器件及製備方法。


背景技術：

2.藉助自旋軌道矩實現可靠、快速、低功耗的磁化翻轉是下一代新型自旋電子學的核心內容之一。其原理是當寫入電流流過自旋源層時，會產生一個力矩，從而驅動鐵磁層磁化翻轉。在輸出信號上表現為二維異質結的電阻隨電流的可逆滯後變化。該器件的功能得以實現的根源來自於自旋源層的強自旋軌道耦合作用。作為自旋軌道矩基非易失性磁性隨機存儲器(sot-mram)的核心部件，如何有效降低驅動磁化翻轉的臨界電流，以及如何實現無場輔助下的可靠磁化翻轉是未來的研究熱點。
3.最近，實驗上關於二維鐵磁材料的研究取得了突破性的進展，並且具有室溫以上鐵磁性的二維範德華材料也得以發現。這些二維範德華室溫鐵磁晶體及其異質結構不僅蘊含了豐富的物理機制和有趣的電子性質，還有望被用來構築多種可在室溫下操作的用於信息存儲與邏輯轉換的二維自旋電子學或磁電子學器件。然而，目前用於自旋軌道矩器件的二維範德華鐵磁異質結較少，並且大多存在需要磁場輔助(幾百oe至幾千oe不等)和磁化翻轉臨界電流密度較高(10
6-107a/cm2量級)等問題。因此，製備基於二維鐵磁體的能在室溫下工作且具有更低磁化翻轉臨界電流密度的自旋軌道矩器件仍然面臨著一定的困難。


技術實現要素：

4.本發明的目的是為了解決上述問題而提供的基於ga基二維鐵磁體異質結的自旋軌道矩器件及製備方法，利用本發明可以製備出可在室溫下可靠運行的自旋軌道矩器件。本發明製備的自旋軌道矩器件基於fe
3-a
gabte2(a＝-2.0～2.0,b＝0.01～5.0)、fe
5-c
gegadte2(c＝-2.0～2.0,d＝0.01～5.0)和cr
x
ga
1-x
te(x＝0.001～0.99)三類ga基二維範德華室溫鐵磁晶體，以及一系列具有強自旋軌道耦合作用的自旋源材料，包括但不限於二維td-wte2、1t
』‑
mote2晶體或重金屬w、ta、pt、bi薄膜或拓撲絕緣體、拓撲晶態絕緣體薄膜或mn3sn、mn3ga、mn3gan、mn3ge、ptmn、irmn、femn、nio薄膜反鐵磁材料。根據該發明製備的自旋軌道矩器件只需要百oe量級的磁場和10
4-105a/cm2量級的電流密度就能在室溫下使鐵磁體實現可靠且低功耗的磁化翻轉。本發明所述的一系列ga基二維鐵磁體的二維異質結器件的製備方法工藝簡單，性能優異，功耗低，器件穩定性良好，這一發明有望推動基於ga基二維鐵磁體的二維異質結器件的發展和實際應用。
5.根據本發明第一方面，提供了一種基於ga基二維鐵磁體異質結的自旋軌道矩器件，所述自旋軌道矩器件包括自下而上的絕緣基底、電極、自旋源層和鐵磁層；所述鐵磁層為fe
3-a
gabte2、fe
5-c
gegadte2或cr
x
ga
1-x
te，其中a＝-2.0～2.0，b＝0.01～5.0，c＝-2.0～2.0，d＝0.01～5.0，x＝0.001～0.99；所述自旋源層具有自旋軌道耦合作用。
6.優選地，所述自旋源層為td-wte2晶體、1t
』‑
mote2晶體、重金屬薄膜、拓撲絕緣體薄
膜、拓撲晶態絕緣體薄膜或反鐵磁材料。
7.優選地，所述重金屬薄膜為w薄膜、ta薄膜、pt薄膜或bi薄膜。
8.優選地，所述反鐵磁材料為mn3sn薄膜、mn3ga薄膜、mn3gan薄膜、mn3ge薄膜、ptmn薄膜、irmn薄膜、femn薄膜或nio薄膜。
9.優選地，所述電極為兩對，其中一對用於施加電流，另一對用於測量電壓。
10.根據本發明另一方面，提供了任意一項所述基於ga基二維鐵磁體異質結的自旋軌道矩器件的製備方法，包括以下步驟：
11.(1)利用光刻技術在絕緣基底上繪製電極圖案；
12.(2)在步驟(1)得到的電極圖案上蒸鍍金屬電極，然後剝離出金屬底電極；
13.(3)在步驟(2)得到的金屬底電極上覆蓋自旋源層，然後在自旋源層上覆蓋鐵磁層，所述鐵磁層為fe
3-a
gabte2、fe
5-c
gegadte2或cr
x
ga
1-x
te，其中a＝-2.0～2.0，b＝0.01～5.0，c＝-2.0～2.0，d＝0.01～5.0，x＝0.001～0.99，即得到所述基於ga基二維鐵磁體異質結的自旋軌道矩器件。
14.優選地，所述自旋源層為td-wte2晶體、1t
』‑
mote2晶體、重金屬薄膜、拓撲絕緣體薄膜、拓撲晶態絕緣體薄膜或反鐵磁材料。
15.優選地，所述重金屬薄膜為w薄膜、ta薄膜、pt薄膜或bi薄膜。
16.優選地，所述反鐵磁材料為mn3sn薄膜、mn3ga薄膜、mn3gan薄膜、mn3ge薄膜、ptmn薄膜、irmn薄膜、femn薄膜或nio薄膜。
17.優選地，步驟(3)中，覆蓋自旋源層和覆蓋鐵磁層的方法獨立地選自機械剝離法、磁控濺射法、化學氣相沉積法、原子層沉積法、分子束外延法或脈衝雷射沉積法。
18.總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，主要具備以下的技術優點：
19.(1)基於ga基二維鐵磁體異質結的自旋軌道矩器件可以在室溫下可靠運行，然而目前已知的基於其他二維範德華鐵磁體構成的自旋軌道矩器件都只能在低於室溫下工作。這種自旋軌道矩器件的室溫可操作性來源於ga基二維鐵磁體的超室溫居裡溫度，如fe
3-a
gabte2、fe
5-c
gegadte2或cr
x
ga
1-x
te，其中a＝-2.0～2.0，b＝0.01～5.0，c＝-2.0～2.0，d＝0.01～5.0，x＝0.001～0.99的居裡溫度分別為330-367k，320-345k，和315-329k。
20.(2)基於ga基二維鐵磁體異質結的自旋軌道矩器件的磁化翻轉電流密度為10
4-105a/cm2量級，優於目前已知的絕大部分已知的自旋軌道矩器件。
21.(3)基於ga基二維鐵磁體異質結的自旋軌道矩器件的厚度可以從3-300nm任意可調。
附圖說明
22.圖1是實施例1的基於ga基二維鐵磁體異質結的自旋軌道矩器件的器件結構簡圖。
23.圖2是實施例1的基於ga基二維鐵磁體異質結的自旋軌道矩器件的電磁學測量示意圖。
具體實施方式
24.為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對
本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特徵只要彼此之間未構成衝突就可以相互組合。本發明基於ga基二維鐵磁體異質結的自旋軌道矩器件的製備，所述異質結製備方法如下：
25.(1)在基底上旋塗光刻膠，並在一定溫度下烘烤一段時間；
26.(2)通過光刻技術繪製出用於自旋軌道矩器件的霍爾電極圖案；
27.(3)藉助電子束蒸發系統在霍爾電極圖案上蒸鍍金屬電極；
28.(4)用有機溶劑漂洗電極，剝離出具有特定霍爾電極圖案的金屬底電極；
29.(5)將具有合適厚度的自旋源層材料覆蓋在製作好的金屬底電極上，將ga基二維鐵磁體覆蓋在自旋源層材料上，製成自旋軌道矩器件。所述鐵磁體為fe
3-a
gabte2、fe
5-c
gegadte2或cr
x
ga
1-x
te，其中a＝-2.0～2.0，b＝0.01～5.0，c＝-2.0～2.0，d＝0.01～5.0，x＝0.001～0.99。
30.一些實施例中，所述基底包括但不限於sio2、al2o3、gaas、sin和氟晶雲母。
31.一些實施例中，所述旋塗速度為500-8000轉/分鐘，旋塗持續時間為0.5-3分鐘。所述烘烤溫度為70-170℃，烘烤時間為0.5-15分鐘。
32.一些實施例中，所述霍爾電極圖案為兩對電極，一對施加電流，另一對測量霍爾電壓。
33.一些實施例中，所述電極為常規金屬電極，包括但不限於au、ag和cu。厚度為10-100nm。
34.一些實施例中，所述用於漂洗電極的有機溶劑為丙酮。
35.一些實施例中，所述自旋源層材料包括但不限於二維td-wte2、1t
』‑
mote2晶體或重金屬w、ta、pt、bi薄膜或拓撲絕緣體、拓撲晶態絕緣體薄膜或mn3sn、mn3ga、mn3gan、mn3ge、ptmn、irmn、femn、nio薄膜反鐵磁材料。所述器件包含的自旋源層和鐵磁層的總厚度為3-300nm，其中自旋源層和鐵磁層厚度任意可調。
36.一些實施例中，所述將自旋源層和鐵磁層覆蓋在中心霍爾電極上，具體方法為機械剝離、磁控濺射、化學氣相沉積、原子層沉積、分子束外延或脈衝雷射沉積。
37.本發明基於ga基二維鐵磁體異質結的自旋軌道矩器件的製備方法，所述二維異質結由鐵磁層和自旋源層構成，其中鐵磁層為fe
3-a
gabte2(a＝-2.0～2.0,b＝0.01～5.0)、fe
5-c
gegadte2(c＝-2.0～2.0,d＝0.01～5.0)或cr
x
ga
1-x
te(x＝0.001～0.99)晶體。自旋源層材料包括但不限於二維td-wte2、1t
』‑
mote2晶體或重金屬w、ta、pt、bi薄膜或拓撲絕緣體、拓撲晶態絕緣體薄膜或mn3sn、mn3ga、mn3gan、mn3ge、ptmn、irmn、femn、nio薄膜反鐵磁材料。通過機械剝離、磁控濺射、化學氣相沉積、原子層沉積、分子束外延或脈衝雷射沉積方法做成二維形態。
38.本發明基於ga基二維鐵磁體異質結的自旋軌道矩器件的功能如下：一個脈衝電流流過自旋源層從而驅動鐵磁層磁化翻轉，從而引起器件電阻的變化。
39.本發明自旋軌道矩器件的磁化翻轉臨界電流密度的數量級在10
4-105a/cm2。
40.本發明基於ga基二維鐵磁體異質結的自旋軌道矩器件的製備，現結合以下具體實施例和附圖，對本發明作進一步的詳細說明。
41.實施例1
42.(1)在sio2基底上以6000轉/分鐘的轉速旋塗光刻膠1分鐘，並在100℃下烘烤10分鐘；
43.(2)通過光刻技術繪製出用於自旋軌道矩器件的霍爾電極圖案；
44.(3)藉助電子束蒸發系統在霍爾電極圖案上蒸鍍30納米au電極；
45.(4)用丙酮漂洗電極，剝離出具有特定霍爾電極圖案的au底電極。
46.(5)依次將具有合適厚度的自旋源層材料td-wte2(厚度50nm)和ga基二維鐵磁體fe3gate2(厚度10nm)覆蓋在製作好的金屬底電極的中心區域，製成自旋軌道矩器件。
47.實施例2
48.(1)在sio2基底上以6000轉/分鐘的轉速旋塗光刻膠1分鐘，並在100℃下烘烤10分鐘；
49.(2)通過光刻技術繪製出用於自旋軌道矩器件的霍爾電極圖案；
50.(3)藉助電子束蒸發系統在霍爾電極圖案上蒸鍍30納米au電極；
51.(4)用丙酮漂洗電極，剝離出具有特定霍爾電極圖案的au底電極。
52.(5)依次將具有合適厚度的自旋源層材料td-wte2(厚度50nm)和ga基二維鐵磁體fe5ga
0.01
te2(厚度10nm)覆蓋在製作好的金屬底電極的中心區域，製成自旋軌道矩器件。
53.實施例3
54.(1)在sio2基底上以6000轉/分鐘的轉速旋塗光刻膠1分鐘，並在100℃下烘烤10分鐘；
55.(2)通過光刻技術繪製出用於自旋軌道矩器件的霍爾電極圖案；
56.(3)藉助電子束蒸發系統在霍爾電極圖案上蒸鍍30納米au電極；
57.(4)用丙酮漂洗電極，剝離出具有特定霍爾電極圖案的au底電極。
58.(5)依次將具有合適厚度的自旋源層材料td-wte2(厚度50nm)和ga基二維鐵磁體fega5te2(厚度10nm)覆蓋在製作好的金屬底電極的中心區域，製成自旋軌道矩器件。
59.實施例4
60.同實施例1，自旋源材料為1t
』‑
mote2。
61.實施例5
62.同實施例1，自旋源材料為ta。
63.實施例6
64.同實施例1，自旋源材料為pt。
65.實施例7
66.同實施例1，自旋源材料為w。
67.實施例8
68.同實施例1，自旋源材料為bi。
69.實施例9
70.同實施例1，自旋源材料為snte。
71.實施例10
72.同實施例1，自旋源材料為bi2se3。
73.實施例11
74.同實施例1，自旋源材料為mn3sn。
75.實施例12
76.同實施例1，自旋源材料為mn3ga。
77.實施例13
78.同實施例1，自旋源材料為mn3gan。
79.實施例14
80.同實施例1，自旋源材料為mn3ge。
81.實施例15
82.同實施例1，自旋源材料為ptmn。
83.實施例16
84.同實施例1，自旋源材料為irmn。
85.實施例17
86.同實施例1，自旋源材料為femn。
87.實施例18
88.同實施例1，自旋源材料為nio。
89.實施例19
90.(1)在sio2基底上以6000轉/分鐘的轉速旋塗光刻膠1分鐘，並在100℃下烘烤10分鐘；
91.(2)通過光刻技術繪製出用於自旋軌道矩器件的霍爾電極圖案；
92.(3)藉助電子束蒸發系統在霍爾電極圖案上蒸鍍30納米au電極；
93.(4)用丙酮漂洗電極，剝離出具有特定霍爾電極圖案的au底電極。
94.(5)依次將具有合適厚度的自旋源層材料td-wte2(厚度50nm)和ga基二維鐵磁體cr
0.001
ga
0.999
te(厚度10nm)覆蓋在製作好的金屬底電極的中心區域，製成自旋軌道矩器件。
95.實施例20
96.(1)在sio2基底上以6000轉/分鐘的轉速旋塗光刻膠1分鐘，並在100℃下烘烤10分鐘；
97.(2)通過光刻技術繪製出用於自旋軌道矩器件的霍爾電極圖案；
98.(3)藉助電子束蒸發系統在霍爾電極圖案上蒸鍍30納米au電極；
99.(4)用丙酮漂洗電極，剝離出具有特定霍爾電極圖案的au底電極。
100.(5)依次將具有合適厚度的自旋源層材料td-wte2(厚度50nm)和ga基二維鐵磁體cr
0.5
ga
0.5
te(厚度10nm)覆蓋在製作好的金屬底電極的中心區域，製成自旋軌道矩器件。
101.實施例21
102.(1)在sio2基底上以6000轉/分鐘的轉速旋塗光刻膠1分鐘，並在100℃下烘烤10分鐘；
103.(2)通過光刻技術繪製出用於自旋軌道矩器件的霍爾電極圖案；
104.(3)藉助電子束蒸發系統在霍爾電極圖案上蒸鍍30納米au電極；
105.(4)用丙酮漂洗電極，剝離出具有特定霍爾電極圖案的au底電極。
106.(5)依次將具有合適厚度的自旋源層材料td-wte2(厚度50nm)和ga基二維鐵磁體cr
0.99
ga
0.01
te(厚度10nm)覆蓋在製作好的金屬底電極的中心區域，製成自旋軌道矩器件。
107.實施例22
108.同實施例19，自旋源材料為1t
』‑
mote2。
109.實施例23
110.同實施例19，自旋源材料為ta。
111.實施例24
112.同實施例19，自旋源材料為pt。
113.實施例25
114.同實施例19，自旋源材料為w。
115.實施例26
116.同實施例19，自旋源材料為bi。
117.實施例27
118.同實施例19，自旋源材料為snte。
119.實施例28
120.同實施例19，自旋源材料為bi2se3。
121.實施例29
122.同實施例19，自旋源材料為mn3sn。
123.實施例30
124.同實施例19，自旋源材料為mn3ga。
125.實施例31
126.同實施例19，自旋源材料為mn3gan。
127.實施例32
128.同實施例19，自旋源材料為mn3ge。
129.實施例33
130.同實施例19，自旋源材料為ptmn。
131.實施例34
132.同實施例19，自旋源材料為irmn。
133.實施例35
134.同實施例19，自旋源材料為femn。
135.實施例36
136.同實施例19，自旋源材料為nio。
137.實施例37
138.(1)在sio2基底上以6000轉/分鐘的轉速旋塗光刻膠1分鐘，並在100℃下烘烤10分鐘；
139.(2)通過光刻技術繪製出用於自旋軌道矩器件的霍爾電極圖案；
140.(3)藉助電子束蒸發系統在霍爾電極圖案上蒸鍍30納米au電極；
141.(4)用丙酮漂洗電極，剝離出具有特定霍爾電極圖案的au底電極。
142.(5)依次將具有合適厚度的自旋源層材料td-wte2(厚度50nm)和ga基二維鐵磁體fe5gega
0.1
te2(厚度10nm)覆蓋在製作好的金屬底電極的中心區域，製成自旋軌道矩器件。
143.實施例38
144.(1)在sio2基底上以6000轉/分鐘的轉速旋塗光刻膠1分鐘，並在100℃下烘烤10分
鍾；
145.(2)通過光刻技術繪製出用於自旋軌道矩器件的霍爾電極圖案；
146.(3)藉助電子束蒸發系統在霍爾電極圖案上蒸鍍30納米au電極；
147.(4)用丙酮漂洗電極，剝離出具有特定霍爾電極圖案的au底電極。
148.(5)依次將具有合適厚度的自旋源層材料td-wte2(厚度50nm)和ga基二維鐵磁體fe7gega
0.01
te2(厚度10nm)覆蓋在製作好的金屬底電極的中心區域，製成自旋軌道矩器件。
149.實施例39
150.(1)在sio2基底上以6000轉/分鐘的轉速旋塗光刻膠1分鐘，並在100℃下烘烤10分鐘；
151.(2)通過光刻技術繪製出用於自旋軌道矩器件的霍爾電極圖案；
152.(3)藉助電子束蒸發系統在霍爾電極圖案上蒸鍍30納米au電極；
153.(4)用丙酮漂洗電極，剝離出具有特定霍爾電極圖案的au底電極。
154.(5)依次將具有合適厚度的自旋源層材料td-wte2(厚度50nm)和ga基二維鐵磁體fe3gega5te2(厚度10nm)覆蓋在製作好的金屬底電極的中心區域，製成自旋軌道矩器件。
155.實施例40
156.同實施例37，自旋源材料為1t
』‑
mote2。
157.實施例41
158.同實施例37，自旋源材料為ta。
159.實施例42
160.同實施例37，自旋源材料為pt。
161.實施例43
162.同實施例37，自旋源材料為w。
163.實施例44
164.同實施例37，自旋源材料為bi。
165.實施例45
166.同實施例37，自旋源材料為snte。
167.實施例46
168.同實施例37，自旋源材料為bi2se3。
169.實施例47
170.同實施例37，自旋源材料為mn3sn。
171.實施例48
172.同實施例37，自旋源材料為mn3ga。
173.實施例49
174.同實施例37，自旋源材料為mn3gan。
175.實施例50
176.同實施例37，自旋源材料為mn3ge。
177.實施例51
178.同實施例37，自旋源材料為ptmn。
179.實施例52
180.同實施例37，自旋源材料為irmn。
181.實施例53
182.同實施例37，自旋源材料為femn。
183.實施例54
184.同實施例37，自旋源材料為nio。
185.圖1是實施例1的基於ga基二維鐵磁體異質結的自旋軌道矩器件的器件結構簡圖。由圖可知該自旋軌道矩器件由3層組成，包括電極，自旋源層和鐵磁層。
186.圖2是實施例1的基於ga基二維鐵磁體異質結的自旋軌道矩器件的電磁學測量示意圖。由圖可知該自旋軌道矩器件的測量過程為，先施加一個與電流方向平行的小輔助磁場，然後沿電流方向施加一個毫安級別的大脈衝寫入電流，接著施加一個讀取電流，最後通過電壓表測量器件的霍爾電壓，從而得到電阻值。
187.表1是實施例1-54的基於ga基二維鐵磁體異質結的自旋軌道矩器件的器件性能參數，主要包括磁化翻轉臨界電流密度和輔助場。由表可知，在輔助磁場為300oe的條件下，12個實施例中最小的磁化翻轉臨界電流密度為6.2
×
104a/cm2。此外，在其他條件不變的情況下，由二維td-wte2、1t
』‑
mote2晶體或拓撲絕緣體、拓撲晶態絕緣體薄膜或mn3sn、mn3ga、mn3gan、mn3ge、ptmn、irmn、femn、nio薄膜作為自旋源層的自旋軌道矩器件通常比由傳統重金屬(pt，ta，w，bi)自旋源層製成的自旋軌道矩器件的磁化翻轉臨界電流密度低。
188.表1
189.190.[0191][0192]
本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。