提高二硫化钼锯齿形条带自旋极化率的异质结结构及方法技术

本发明专利技术公开了一种提高二硫化钼锯齿形条带自旋极化率的异质结结构及方法。本发明专利技术异质结结构中的散射区由沿输入端至输出端方向排布的散射区一段、散射区二段和散射区三段组成；散射区一段和散射区三段为宽度和长度均相等的锯齿型条带；散射区三段与散射区一段的长度方向一致，散射区二段的长度方向与散射区一段的长度方向呈90°夹角；散射区二段为沿长度方向的扶手椅型条带；输入端和输出端均为锯齿型条带。本发明专利技术通过寻找只允许某一种自旋方向的电子能级存在的能量范围，使电子以该范围内的能量入射时，另一种自旋方向的电子被完全过滤，实现自旋的完全极化。

【技术实现步骤摘要】
提高二硫化钼锯齿形条带自旋极化率的异质结结构及方法
本专利技术属于电子
，涉及一种提高二硫化钼锯齿形条带自旋极化率的异质结结构及方法。
技术介绍
随着物联网和人工智能的来临，人们对更高计算能力和更快计算速度计算机的需求不断增长，发展新型半导体器件是提高半导体技术的一种重要手段。当前，开发新型的半导体器件可以从器件结构和器件材料两方面开展研究：自旋电子器件利用电子自旋自由度来进行信息保存和逻辑处理，与传统半导体器件相比，自旋电子器件在信息存储容量和传递速度等方面优势更加明显；自石墨烯发现以来，二维材料由于原子级厚度、表面平整、电子迁移率高等特点被视为是取代硅制作新型半导体器件的理想材料。因此研究利用二维材料制作自旋电子器件符合当前Beyond-Moore时代半导体器件技术发展的时代背景。二硫化钼(MoS2)为过渡金属硫化物，是继石墨烯之后发现的一种具有类蜂窝晶格结构的新型二维材料。研究发现，石墨烯内部自旋轨道耦合作用弱，一般忽虑不计，而MoS2内部自旋轨道耦合作用强度达到0.075eV,不可忽虑不计，因此MoS2在自旋电子学及其相关领域具有广泛的应用价值，可以被用来制作自旋电子器件。沿不同晶格方向切割MoS2,得到两种不同边缘结构的一维MoS2条带：扶手椅型条带和锯齿型条带。要实现利用MoS2条带制作自旋电子器件的目的，首先需要通过一个外加场的作用引起材料内电子的自旋分裂。自旋向上和自旋向下的电子能级在磁场作用下产生能级分裂，已有研究证明，如果只考虑外加磁场的作用，MoS2扶手椅型条带能够产生100％自旋极化和自旋过滤效应，而MoS2锯齿型条带的自旋极化率最大为66％，自旋极化率低。所以如何在MoS2锯齿型条带中产生100％的自旋极化现象是本专利技术专利拟解决的主要问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种提高二硫化钼锯齿形条带自旋极化率的异质结结构及方法，以解决MoS2锯齿型条带电子自旋极化率低的问题。本专利技术采用不同边缘形状的MoS2条带构成异质结结构，通过调控异质处的结构来降低单个自旋态电子的透射系数，达到提高自旋极化率和实现自旋过滤的目的。本专利技术提高二硫化钼锯齿形条带自旋极化率的异质结结构，由输入端、散射区、输出端和铁磁层组成；所述的铁磁层覆盖整个散射区；所述的散射区由沿输入端至输出端方向排布的散射区一段、散射区二段和散射区三段组成；散射区一段和散射区三段为宽度和长度均相等的锯齿型条带；散射区三段与散射区一段的长度方向一致，散射区二段的长度方向与散射区一段的长度方向呈90°夹角；所述的散射区二段为沿长度方向的扶手椅型条带；散射区沿散射区一段长度方向的尺寸为散射区一段长度、散射区二段宽度及散射区三段长度之和；所述的输入端和输出端均为锯齿型条带，与散射区一段和散射区三段均同宽。采用该异质结结构来提高二硫化钼锯齿型条带自旋极化率的方法，具体如下：由输入端输入的无自旋分裂的电子进入散射区后，由于散射区内扶手椅型条带和锯齿型条带在外加磁场作用下自旋能级分裂的差异，自旋向上和自旋向下的电子在散射区内的输运行为不一致，经过散射区散射后到达输出端的概率不同。因此，通过对比散射区内扶手椅型条带和锯齿型条带的能带图，找出只有某一自旋方向电子能级存在的能量范围；使电子以该范围内的能量入射，则只有该自旋方向电子能够通过散射区到达输出端，另一种自旋方向的电子被完全过滤，实现自旋的完全极化。本专利技术的有益效果是：在只存在外在磁场作用的条件下，本专利技术提高了MoS2锯齿型条带的自旋极化率，实现了±100％的自旋极化和自旋过滤效应。附图说明图1是本专利技术的异质结结构原子结构图。图2是本专利技术的异质结结构侧视图。图3是二硫化钼锯齿型均匀条带的原子结构图。图4是本专利技术的异质结结构以及二硫化钼锯齿型均匀条带在整个散射区域内作用一个垂直于MoS2条带平面的磁场时，自旋向上电子和自旋向下电子的电导与输入端入射电子的能量关系图。图5是本专利技术的异质结结构及二硫化钼锯齿型条带的自旋极化率与输入端入射电子的能量关系图。图6(a)和6(b)分别是二硫化钼锯齿型条带和扶手椅型条带在磁场作用下的能带图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步说明。如图1和2所示，提高二硫化钼(MoS2)锯齿形条带自旋极化率的异质结结构，由输入端1、散射区2、输出端3和铁磁层4组成；铁磁层覆盖整个散射区；散射区2由沿输入端1至输出端3方向排布的散射区一段2-1、散射区二段2-2和散射区三段2-3组成；散射区一段和散射区三段为宽度和长度均相等的锯齿型条带，宽度均为Wz，长度均为Lz；散射区三段与散射区一段的长度方向一致，散射区二段的长度方向与散射区一段2-1的长度方向呈90°夹角；散射区二段为沿长度方向(电子传输方向)的扶手椅型条带，散射区二段的宽度为Wa，长度为La；散射区2沿散射区一段长度方向的尺寸L为散射区一段长度、散射区二段宽度及散射区三段长度之和；输入端1和输出端3均为锯齿型条带，与散射区一段2-1和散射区三段2-3均同宽。本专利技术结构也可以看作是输入端(宽为Wz)、散射区(宽为La)、输出端(宽为Wz)为不均匀宽度的MoS2锯齿型条带；输入端和输出端通过金属电极与外电路相连，电子从输入端进入散射区，从输出端输出；铁磁层用于在散射区内产生一个垂直于MoS2条带平面的磁场，引起散射区内MoS2中电子的自旋分裂。本实施例中，器件各部分参数设置如下表所示：参数LzWaWzLaL长度(nm)1.581.742.196.574.9本专利技术结构模型的建立和电子透射系数的计算均在KWANT程序包中完成，电子透射系数的计算过程中，MoS2条带的哈密顿量表达式采用紧束缚近似模型的哈密顿量表示形式。将输入端、散射区和输出端为同宽的均匀MoS2锯齿型条带结构作为对比结构，如图3所示，对比结构的电子透射系数计算也在KWANT程序包中完成。图4为本专利技术的异质结结构和对比结构在散射区内作用一个垂直于MoS2条带平面的磁场时，与输入端入射电子能量E对应的自旋向上电子和自旋向下电子的电导，能量E的单位是eV(电子伏特)，自旋向上和自旋向下电子的电导分别记为G↑与G↓，单位为e2/h，e为一个电子所带的电荷量，h为普朗克常数，G↑与G↓统一表达为G；图5为两种结构的自旋极化率，定义自旋极化率Ps＝100％*((G↑-G↓)/(G↑+G↓))，Ps＝100％代表只有自旋向上的电子能够通过散射区，Ps＝-100％代表只有自旋向下的电子能够通过散射区，因此，Ps＝±100％均为自旋完全极化；-100％<Ps<100％代表自旋向上和自旋向下的电子均可以通过散射区。从图4和图5可以得出，对于均匀MoS2锯齿型条带结构，自旋向上和自旋向下电子的电导比较大，但是在整个能量区间都无法实现自旋极化，且电子以较小能量入射时，自旋极化率最大也只有33％；本专利技术设计的结构，在-0.7—0.98eV的整个能量区间内基本能实现了|100％|的自旋极化率，与均匀条带相比，自旋向上和自旋向下的电导虽然都有所减小，但是在某些特殊能量范围和能量点，自旋向上或自旋向下的电导也能达到一个相对较大的值。例如，在-0.7eV到-0.33eV的能量范围内，自旋向下的电导始终为0，自旋向上的电导大部分大于0.6，在-0.39eV时本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.提高二硫化钼锯齿形条带自旋极化率的异质结结构，由输入端、散射区、输出端和铁磁层组成，其特征在于：所述的铁磁层覆盖整个散射区；所述的散射区由沿输入端至输出端方向排布的散射区一段、散射区二段和散射区三段组成；散射区一段和散射区三段为宽度和长度均相等的锯齿型条带；散射区三段与散射区一段的长度方向一致，散射区二段的长度方向与散射区一段的长度方向呈90°夹角；所述的散射区二段为沿长度方向的扶手椅型条带；散射区沿散射区一段长度方向的尺寸为散射区一段长度、散射区二段宽度及散射区三段长度之和；所述的输入端和输出端均为锯齿型条带，与散射区一段和散射区三段均同宽。

【技术特征摘要】
1.提高二硫化钼锯齿形条带自旋极化率的异质结结构，由输入端、散射区、输出端和铁磁层组成，其特征在于：所述的铁磁层覆盖整个散射区；所述的散射区由沿输入端至输出端方向排布的散射区一段、散射区二段和散射区三段组成；散射区一段和散射区三段为宽度和长度均相等的锯齿型条带；散射区三段与散射区一段的长度方向一致，散射区二段的长度方向与散射区一段的长度方向呈90°夹角；所述的散射区二段为沿长度方向的扶手椅型条带；散射区沿散射区一段长度方向的尺寸为散射区一段长度、散射区二段宽度及散射区三段长度之和；所述的输入端和输出端均为锯齿型条带，与散射区一段和散射区三段...

【专利技术属性】
技术研发人员：阮良浩，王晶，赵文生，张海鹏，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33