[發(fā)明專利]一種電場(chǎng)調(diào)控的二維自旋電子器件及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810559006.0
• 申請(qǐng)日: 2018-06-01
• 公開（公告）號(hào): CN108767107B
• 公開（公告）日: 2020-02-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳雅蘋;柯聰明;周江鵬;康俊勇;吳志明;張純淼
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 廈門大學(xué)
• 主分類號(hào): H01L43/02
• 分類號(hào): H01L43/02;H01L43/10;H01L43/12
• 代理公司: 廈門市首創(chuàng)君合專利事務(wù)所有限公司 35204
• 代理人: 張松亭;陳淑嫻

一種電場(chǎng)調(diào)控的二維自旋電子器件及其制備方法，涉及自旋電流的產(chǎn)生和極化率的電場(chǎng)調(diào)控。器件結(jié)構(gòu)包括第一BN二維材料/摻雜鐵磁金屬的III?VI族硫?qū)倩锒S材料/第二BN二維材料的三明治結(jié)構(gòu)、與第一BN二維材料和第二BN二維材料連接的透明電極，以及與III?VI族硫?qū)倩锒S材料連接的溝道電極。鐵磁金屬摻雜在III?VI族硫?qū)倩锒S材料的晶格替位或間隙位，使III?VI族硫?qū)倩锒S材料的電子出現(xiàn)自旋極化；自旋極化的電子在入射激光激發(fā)下經(jīng)由溝道回路產(chǎn)生自旋電流，通過外加垂直電場(chǎng)調(diào)節(jié)摻雜鐵磁金屬的III?VI族硫?qū)倩锒S材料的磁結(jié)構(gòu)在鐵磁耦合與反鐵磁耦合之間轉(zhuǎn)變，從而可在0～100％范圍內(nèi)調(diào)控自旋電流的極化率，構(gòu)成極化率電可控的二維自旋電子器件。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及自旋電子器件及其制備方法，尤其是一種電場(chǎng)調(diào)控的摻雜鐵磁金屬的III-VI族硫?qū)倩锒S材料的自旋電子器件及其制備方法。

背景技術(shù)

自旋電子學(xué)利用電子自旋而非傳統(tǒng)的電子電荷為基礎(chǔ)，探討研發(fā)新一代電子產(chǎn)品的可能性。自旋電子器件具有非易失、數(shù)據(jù)處理速度快、集成密度高和低功耗等方面的優(yōu)勢(shì)等，成為電子器件的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。產(chǎn)生自旋電流的方法主要有基于自旋霍爾效應(yīng)的電注入法，利用鐵磁電極的側(cè)向非局域幾何注入法和利用偏振光照射的光注入法：(1)基于自旋霍爾效應(yīng)的電注入法。自旋霍爾效應(yīng)提供了一種方便有效的產(chǎn)生自旋電流的方法，當(dāng)系統(tǒng)加上一個(gè)外電場(chǎng)時(shí)，由于自旋軌道耦合作用，一個(gè)順磁體系可以產(chǎn)生垂直于電場(chǎng)的自旋電流；(2)利用鐵磁電極的側(cè)向非局域幾何注入法。通過鐵磁金屬作為電極，與半導(dǎo)體材料的界面接觸引入極化電子，在電場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下將鐵磁金屬中的自旋極化電流引入到半導(dǎo)體材料中。由于鐵磁金屬與半導(dǎo)體的電阻失配率較高，以及鐵磁金屬本身自旋極化率較低，導(dǎo)致注入的效率較低。(3)利用偏振光注入法。用一束圓偏振光照射到半導(dǎo)體上，從價(jià)帶激發(fā)電子到導(dǎo)帶，由于空穴與電子之間的躍遷選擇定則，使不同自旋取向的電子以不同概率躍遷，使導(dǎo)帶上形成自旋極化的電子。雖然光學(xué)方法在高速調(diào)制方面優(yōu)于電學(xué)方法，但上述偏振光注入法仍存在室溫下自旋極化率不高等弊端。制造與自旋有關(guān)的電子器件，最關(guān)鍵的問題仍是需要強(qiáng)磁場(chǎng)或低溫下產(chǎn)生自旋電流。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明鑒于自旋電子器件的設(shè)計(jì)需求及極化率的調(diào)控問題，提出一種基于摻雜鐵磁金屬的III-VI族硫?qū)倩锒S材料的電場(chǎng)調(diào)控的二維自旋電子器件及其制備方法，該器件采用電學(xué)調(diào)控的方式，可解決需要強(qiáng)磁場(chǎng)或低溫條件下產(chǎn)生自旋電流的問題。

一種電場(chǎng)調(diào)控的二維自旋電子器件，包括第一BN二維材料/摻雜鐵磁金屬的III-VI族硫?qū)倩锒S材料/第二BN二維材料的三明治結(jié)構(gòu)、分別與第一BN二維材料和第二BN二維材料連接的第一透明電極和第二透明電極，以及與摻雜鐵磁金屬的III-VI族硫?qū)倩锒S材料連接的溝道電極；所述摻雜鐵磁金屬的III-VI族硫?qū)倩锒S材料是在III-VI族硫?qū)倩锒S材料的晶格替位或間隙位摻雜鐵磁金屬以實(shí)現(xiàn)電子自旋極化。

可選的，所述第一BN二維材料和第二BN二維材料的厚度為1～5分子層。

可選的，所述第一透明電極和第二透明電極材料同時(shí)為石墨烯二維材料、ITO、AZO中的一種。

可選的，所述摻雜鐵磁金屬的III-VI族硫?qū)倩锒S材料的厚度為從單分子層到小于10nm。

可選的，所述摻雜鐵磁金屬的III-VI族硫?qū)倩锒S材料化學(xué)式為M_1-zT_zX，其中M＝Ga、In，X＝S、Se，T＝Fe、Co、Ni中的一種或幾種或它們的合金，其中0.10>z>0。

可選的，所述溝道電極材料為石墨烯二維材料、Au、Ti/Au、Ni/Au、Cr/Au中的一種。

可選的，所述摻雜鐵磁金屬的III-VI族硫?qū)倩锒S材料其中鐵磁金屬摻雜量小于10％。