CN113948632B - 一种自旋电子异质结及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自旋电子异质结及其制备方法，其中，制备方法包括步骤：在单晶衬底上制备Tm3Fe5O12薄膜；在所述Tm3Fe5O12薄膜上溅射Cu层，制得Cu/Tm3Fe5O12异质结；将所述Cu/Tm3Fe5O12异质结放置在空气中进行自然氧化，制得CuOx/Tm3Fe5O12异质结，其中，x大于0小于1。本发明利用Cu的自然氧化形成CuOx，也能产生自旋霍尔效应，且自旋轨道力矩转化效率与Pt相当的原理，制得的CuOx/Tm3Fe5O12异质结具有垂直磁各向异性，且Cu的自然氧化能够增强自旋轨道力矩转化效率，使得该异质结的自旋轨道力矩转化效率为0.018。
Description
技术领域
本发明涉及异质结技术领域，尤其涉及一种自旋电子异质结及其制备方法。
背景技术
亚铁磁绝缘体材料在自旋电子领域有着广泛的应用。因具有较高的居里温度、高电阻率和高频下低磁性损失的特点，稀土铁石榴石(Re3Fe5O12,Re是稀土元素，通常为Y，Tm，Tb，Gd等)被视为一种理想的亚铁磁绝缘体材料，其在磁性存储领域有着潜在的应用。由于重金属的强自旋轨道效应，大量文献报道了基于重金属(Pt、Ta、W)/稀土铁石榴石异质结的量子反常霍尔效应现象。但是，重金属材料的稀缺性极大地限制了其在自旋电子器件领域的潜在商业应用。轻金属材料的资源非常丰富，但是与重金属相比，其自旋轨道效应很弱。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种自旋电子异质结及其制备方法，旨在解决现有轻金属与稀土铁石榴石形成的异质结自旋轨道力矩转化效率较低的问题。
本发明的技术方案如下：
一种自旋电子异质结的制备方法，其中，包括步骤：
在单晶衬底上制备Tm3Fe5O12薄膜；
在所述Tm3Fe5O12薄膜上溅射Cu层，制得Cu/Tm3Fe5O12异质结；
将所述Cu/Tm3Fe5O12异质结放置在空气中进行自然氧化，制得CuOx/Tm3Fe5O12异质结，其中，x大于0小于1。
所述自旋电子异质结的制备方法，其中，在单晶衬底上制备Tm3Fe5O12薄膜的步骤包括：
以Tm3Fe5O12陶瓷靶作为靶材，在真空度小于5x10-8mT的条件下，采用射频溅射的方式在所述单晶衬底上溅射Tm3Fe5O12薄膜。
所述自旋电子异质结的制备方法，其中，在所述单晶衬底上溅射Tm3Fe5O12薄膜的过程中，通入氩气和氧气，其中，氧气流量为1-5％的氩气流量。
所述自旋电子异质结的制备方法，其中，在所述单晶衬底上溅射Tm3Fe5O12薄膜的过程中，所述单晶衬底保持500-800℃。
所述自旋电子异质结的制备方法，其中，在单晶衬底上制备Tm3Fe5O12薄膜之前还包括步骤：
在一个大气压的氧气环境下，对所述单晶衬底进行800-1200℃的退火处理，退火时间为5-7h。
所述自旋电子异质结的制备方法，其中，所述单晶衬底为Gd3Sc2Ga3O12单晶衬底或Gd3Ga5O12单晶衬底。
所述自旋电子异质结的制备方法，其中，在所述Tm3Fe5O12薄膜上溅射Cu层，制得Cu/Tm3Fe5O12异质结的步骤包括：
在工作气压为2-4mT的条件下，采用直流电源溅射的方式在所述Tm3Fe5O12薄膜上溅射Cu层，制得Cu/Tm3Fe5O12异质结。
所述自旋电子异质结的制备方法，其中，所述Cu层的厚度为3-7nm。
所述自旋电子异质结的制备方法，其中，所述Tm3Fe5O12薄膜的厚度为2-12nm。
一种自旋电子异质结，其中，采用本发明所述自旋电子异质结的制备方法制得。
有益效果：本发明提供了一种自旋电子异质结，通过磁控溅射的方法制备了Cu/Tm3Fe5O12异质结，然后利用Cu的自然氧化，形成CuOx/Tm3Fe5O12异质结；该异质结具有垂直磁各向异性，且Cu的自然氧化能够增强自旋轨道力矩转化效率，使得该异质结的自旋轨道力矩转化效率为0.018。
附图说明
图1为本发明一种自旋电子异质结的制备方法较佳实施例的流程图。
图2为实施例1中Cu/Re3Fe5O12(Re:Tm,Gd,Tb,Y)的异质结结构示意图。
图3为实施例1中CuOx(3nm)/Re3Fe5O12(4nm)异质结的TEM图。
图4为实施例1中CuOx(3nm)/Re3Fe5O12(4nm)异质结的霍尔磁阻图。
图5为SiO2(2nm)/Cu(3nm)/Tm3Fe5O12(4nm)异质结的霍尔磁阻图。
具体实施方式
本发明提供一种自旋电子异质结及其制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1，图1为本发明提供的一种自旋电子异质结的制备方法较佳实施例的流程图，如图所示，其包括步骤：
S10、在单晶衬底上制备Tm3Fe5O12薄膜；
S20、在所述Tm3Fe5O12薄膜上溅射Cu层，制得Cu/Tm3Fe5O12异质结；
S30、将所述Cu/Tm3Fe5O12异质结放置在空气中进行自然氧化，制得CuOx/Tm3Fe5O12异质结，其中，x大于0小于1。
本实施例首先通过磁控溅射的方法制备了Cu/Tm3Fe5O12异质结，然后利用Cu的自然氧化，形成CuOx/Tm3Fe5O12异质结。本实施例利用Cu的自然氧化形成CuOx，也能产生自旋霍尔效应，且自旋轨道力矩转化效率与Pt相当的原理，制得的CuOx/Tm3Fe5O12异质结具有垂直磁各向异性，且Cu的自然氧化能够增强自旋轨道力矩转化效率，使得该异质结的自旋轨道力矩转化效率为0.018。
在一些实施方式中，在单晶衬底上制备Tm3Fe5O12薄膜之前还包括步骤：在一个大气压的氧气环境下，对单晶衬底进行800-1200℃的退火处理，退火时间为5-7h。
在本实施例中，所述单晶衬底为Gd3Sc2Ga3O12(sGGG)单晶衬底或Gd3Ga5O12(GGG)单晶衬底。本实施例通过对单晶衬底进行退火处理，使得退火后的单晶衬底有利于Tm3Fe5O12薄膜的生长。
在一些实施方式中，在单晶衬底上制备Tm3Fe5O12薄膜的步骤包括：以Tm3Fe5O12陶瓷靶作为靶材，在真空度小于5x10-8mT的条件下，采用射频溅射的方式在所述单晶衬底上溅射Tm3Fe5O12薄膜。
本实施例在所述单晶衬底上溅射Tm3Fe5O12薄膜的过程中，通入氩气和氧气，其中，氧气流量为1-5％的氩气流量。本实施例中优选溅射的功率为100W，根据制备不同厚度的Tm3Fe5O12薄膜需要，溅射时间为15-90分钟，最终制备出的Tm3Fe5O12薄膜厚度为2-12nm。在所述单晶衬底上溅射Tm3Fe5O12薄膜的过程中，所述单晶衬底保持500-800℃，溅射完毕后，自然冷却至室温，无需退火。
在一些实施方式中，在所述Tm3Fe5O12薄膜上溅射Cu层，制得Cu/Tm3Fe5O12异质结的步骤包括：在工作气压为2-4mT的条件下，采用直流电源溅射的方式在所述Tm3Fe5O12薄膜上溅射Cu层，制得Cu/Tm3Fe5O12异质结。
本实施例优选直流电源溅射的功率为50W，根据制备不同厚度的Cu层需要，溅射时间为33-77秒，最终制备的Cu层的厚度为3-7nm。溅射完毕后的Cu/Tm3Fe5O12异质结在空气中进行自然氧化，形成CuOx/Tm3Fe5O12异质结，其中，x大于0小于1。
在一些实施方式中，还提供一种自旋电子异质结，其采用本发明所述自旋电子异质结的制备方法制得。本实施例制得的异质结具有垂直磁各向异性，且Cu的自然氧化能够增强自旋轨道力矩转化效率，使得该异质结的自旋轨道力矩转化效率为0.018。
下面通过具体实施例对本发明一种自旋电子异质结及其制备方法做进一步的解释说明：
实施例1
采用磁控溅射的方法制备了具有垂直磁各向异性的CuOx/Tm3Fe5O12异质结，具体方法如下：
Gd3Sc2Ga3O12单晶衬底在一个大气压的氧气环境下，1000℃退火6小时，退火后的衬底有利于Tm3Fe5O12薄膜的生长；
磁控溅射腔体的本底真空度小于5x10-8 mTorr(mT)，磁控溅射所采用的靶材为Tm3Fe5O12陶瓷靶，采用射频溅射的方式，溅射功率为100w，溅射时间为30分钟，最终制备出的Tm3Fe5O12厚度为4nm。溅射过程中，工作为Ar，气压为6mT,通入少量氧气，氧气流量为3％的Ar流量，溅射过程中，衬底温度保持在600℃；溅射完毕后，自然冷却至室温，无需退火；
随后，在室温下溅射3nm的Cu层，溅射Cu层的条件如下：工作气压为3mT，采用直流电源溅射的方式，溅射功率50w，溅射55秒，溅射的Cu/Tm3Fe5O12异质结的结构如图2所示；
溅射完毕后的Cu/Tm3Fe5O12异质结在空气中进行自然氧化，形成CuOx/Tm3Fe5O12异质结，制备的CuOx/Tm3Fe5O12异质结的晶体结构如图3所示。
磁性测试表明，经过本实施例1方法制备的CuOx/Tm3Fe5O12异质结表现出垂直磁各向异性，图4所示，经过测试，CuOx(3nm)/Tm3Fe5O12异质结的自旋轨道力矩转化效率为0.018。为了验证Cu/Tm3Fe5O12异质结没有垂直磁各向异性，我们在Cu/Tm3Fe5O12异质结上溅射了2nm后的SiO2，阻止Cu的氧化，其磁性结果如图5所示，从图5可以看出，Cu/Tm3Fe5O12异质结没有垂直磁各向异性。
实施例2
采用磁控溅射的方法制备了具有垂直磁各向异性的CuOx/Tm3Fe5O12异质结，具体方法如下：
Gd3Ga5O12单晶衬底在一个大气压的氧气环境下，1100℃退火7小时，退火后的衬底有利于Tm3Fe5O12薄膜的生长；
磁控溅射腔体的本底真空度小于5x10-8 mTorr(mT)，磁控溅射所采用的靶材为Tm3Fe5O12陶瓷靶，采用射频溅射的方式，溅射功率为100w，溅射时间为50分钟，最终制备出的Tm3Fe5O12厚度为8nm。溅射过程中，工作为Ar，气压为8mT,通入少量氧气，氧气流量为5％的Ar流量，溅射过程中，衬底温度保持在800℃；溅射完毕后，自然冷却至室温，无需退火；
随后，在室温下溅射5nm的Cu层，溅射Cu层的条件如下：工作气压为3mT，采用直流电源溅射的方式，溅射功率50w，溅射65秒；
溅射完毕后的Cu/Tm3Fe5O12异质结在空气中进行自然氧化，形成CuOx/Tm3Fe5O12异质结。
实施例3
采用磁控溅射的方法制备了具有垂直磁各向异性的CuOx/Tm3Fe5O12异质结，具体方法如下：
Gd3Sc2Ga3O12单晶衬底在一个大气压的氧气环境下，900℃退火6小时，退火后的衬底有利于Tm3Fe5O12薄膜的生长；
磁控溅射腔体的本底真空度小于5x10-8 mTorr(mT)，磁控溅射所采用的靶材为Tm3Fe5O12陶瓷靶，采用射频溅射的方式，溅射功率为100w，溅射时间为90分钟，最终制备出的Tm3Fe5O12厚度为12nm。溅射过程中，工作为Ar，气压为6mT,通入少量氧气，氧气流量为3％的Ar流量，溅射过程中，衬底温度保持在500℃；溅射完毕后，自然冷却至室温，无需退火；
随后，在室温下溅射7nm的Cu层，溅射Cu层的条件如下：工作气压为3mT，采用直流电源溅射的方式，溅射功率50w，溅射77秒，溅射Cu/Tm3Fe5O12异质结；
溅射完毕后的Cu/Tm3Fe5O12异质结在空气中进行自然氧化，形成CuOx/Tm3Fe5O12异质结。
综上所述，本发明提供了一种自旋电子异质结，通过磁控溅射的方法制备了Cu/Tm3Fe5O12异质结，然后利用Cu的自然氧化，形成CuOx/Tm3Fe5O12异质结；该异质结具有垂直磁各向异性，且Cu的自然氧化能够增强自旋轨道力矩转化效率，使得该异质结的自旋轨道力矩转化效率为0.018。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (2)
1.一种自旋电子异质结的制备方法，其特征在于，包括步骤：
在一个大气压的氧气环境下，对单晶衬底进行800-1200℃的退火处理，退火时间为5-7h，所述单晶衬底为Gd3Sc2Ga3O12单晶衬底或Gd3Ga5O12单晶衬底；
以Tm3Fe5O12陶瓷靶作为靶材，在真空度小于5x10-8mT的条件下，采用射频溅射的方式在所述单晶衬底上溅射Tm3Fe5O12薄膜，溅射过程中，通入氩气和氧气，氧气流量为1-5%的氩气流量；且所述单晶衬底保持500-800℃；
在工作气压为2-4mT的条件下，采用直流电源溅射的方式在所述Tm3Fe5O12薄膜上溅射Cu层，制得Cu/Tm3Fe5O12异质结；所述Cu层的厚度为3-7nm；所述Tm3Fe5O12薄膜的厚度为2-12nm；
将所述Cu/Tm3Fe5O12异质结放置在空气中进行自然氧化，制得CuOx/Tm3Fe5O12异质结，其中，x大于0小于1。
2.一种自旋电子异质结，其特征在于，采用权利要求1任一所述自旋电子异质结的制备方法制得。
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2021
- 2021-10-18 CN CN202111211889.4A patent/CN113948632B/zh active Active
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112746257A (zh) * | 2020-12-23 | 2021-05-04 | 深圳技术大学 | 一种具有垂直磁各向异性的异质结及其制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Spin–torque generator engineered by natural oxidation of Cu;Hongyu An et al.;《nature communications》;20161011;1-8页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113948632A (zh) | 2022-01-18 |
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