[發明專利]一種非互易性自旋電子器件及其制備方法

在審

• 申請號: 202310012268.6
• 申請日: 2023-01-05
• 公開（公告）號: CN116193971A
• 公開（公告）日: 2023-05-30
• 發明（設計）人: 李孟周;蘆增星;勞斌;龔禮光;汪志明;李潤偉
• 申請（專利權）人: 中國科學院寧波材料技術與工程研究所
• 主分類號: H10N50/20
• 分類號: H10N50/20;H10N50/85;H10N50/01
• 代理公司: 寧波甬致專利代理有限公司 33228
• 代理人: 錢瑩

本發明公開了一種非互易性自旋電子器件，包括襯底和設置在襯底上的非互異性輸運層、電流輸入端和電壓測試端，且電流輸入端、電壓測試端均與非互異性輸運層電連接，與現有技術相比，本發明具有如下優點：當在器件的電流端通入交流電，為了獲取自旋?電荷互轉換的信息，通過鎖相放大器探測電壓端的二次信號；當外加磁場為零時，電流方向產生純自旋流，沒有電荷流的產生；在施加面內磁場的情況下，部分電子發生定向移動，自旋流部分轉換為電荷流；通過控制外磁場與電流的相對方向，這種自旋轉換信息可以在電壓二階項上得以體現。

技術領域

本發明屬于自旋電子學技術領域，具體涉及一種非互易性自旋電子器件及其制備方法。

背景技術

非互易性是描述物體沿一個方向的運動行為與其沿反方向的運動行為有所差異的性質，是半導體物理、光學、電子電路等領域中重要的研究內容。應用最為廣泛的非互易性效應是二極管效應，其基本性質為單向導電性。然而，由于二極管只利用了電子的電荷自由度，因此其應用被局限在傳統電子器件領域。

相較于傳統電子器件中所利用的電子電荷屬性，利用電子自旋屬性的自旋電子器件因其低能耗、高運算速度等特點有望成為新一代電子器件，在信息的存儲、傳輸、處理等領域發揮重要的作用。具體而言，傳統基于PN結的二極管以N型和P型半導體形成空間電荷區，在外加電場的作用下，通過非平衡少數載流子的注入和抽取來實現對電荷的控制。而對于通過自旋流來實現特定功能的器件來說，基于電荷的電子器件及調控手段顯然不再適用，因此對自旋流進行定向操控，實現不同的自旋積累狀態便成了自旋電子學領域中新的需求。

針對上述要求，某些拓撲材料因為具有特殊的拓撲電子態而受到了研究人員的廣泛關注。以拓撲絕緣體為例，其體能隙中存在無能隙的表面態，即某一動量方向的電子鎖定了與其垂直的特定方向的自旋，當電流通過拓撲絕緣體時，電子在k空間中的分布發生位移，這種不平衡導致了自旋分布的不平衡，拓撲絕緣體表面就會出現凈自旋的積累。在外磁場的輔助下，自旋流可部分轉換為電荷流，從而實現不同的自旋積累狀態，進而實現自旋調控的目的。

除拓撲絕緣體外，作為拓撲絕緣體進一步延伸的概念，拓撲半金屬同樣具有拓撲表面態。相較于拓撲絕緣體表面為金屬態而體態絕緣，表現出較低的電導率，拓撲半金屬體相的導帶和價帶間存在點接觸或線接觸，具有比拓撲絕緣體更好的導電性，更有利于實際的使用，是實現自旋調控的理想材料。因此，基于拓撲半金屬制造非互易性自旋電子器件具有十分重要的科研和應用意義。

發明內容

本發明的目的在于提供一種非互易性自旋電子器件，以磁場控制自旋流部分轉變為電荷流，從而改變器件的自旋積累狀態。

為達到上述目的，本發明采用的技術方案是：一種非互易性自旋電子器件，包括襯底和設置在所述襯底上的非互異性輸運層、電流輸入端和電壓測試端，且所述電流輸入端、電壓測試端均與所述非互異性輸運層電連接。

作為優選，所述襯底的材料為氧化硅，所述非互易性輸運層的材料為TaIrTe₄。本發明以氧化硅片作為襯底，通過狄拉克半金屬TaIrTe₄作為非互異性輸運層，通過光刻工藝生長電極，構建了一種兩端型器件。

作為優選，當非互易性自旋電子器件通入交流電后，施加旋轉的面內磁場，電流通入方向的電阻二階項與磁場和電流的夾角表現為正弦函數關系；當非互易性自旋電子器件通入交流電后，施加旋轉的面內磁場，電流通入方向的電阻二階項幅值與電流強度和磁感應強度均成線性關系。

本發明的另一個目的在于提供一種非互易性自旋電子器件的制備方法，所述制備方法具體包括如下步驟：

S1、清洗襯底并對清洗后的襯底進行氧等離子體表面處理；

S2、對TaIrTe4進行減薄處理，并將經過減薄處理后的TaIrTe₄轉移至步驟S1得到的襯底表面得到非互易性輸運層；