一种产生自旋极化的石墨烯器件及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种产生自旋极化的石墨烯器件及其制备方法。本发明专利技术采用微机械剥离法制备单层石墨烯，根据单层石墨烯的水平尺寸，挑选磁性绝缘体纳米片，通过纳米微机械显微操纵台的玻璃针尖将磁性绝缘体纳米片转移到单层石墨烯上，形成磁性绝缘体纳米片/石墨烯异质结构；在磁性绝缘体纳米片上方压上电子束抗蚀剂片，从而使得磁性绝缘体纳米片与单层石墨烯更紧密结合，有利于出现石墨烯的自旋极化，还可以防止旋涂导致的石墨烯破裂，提高成品率；本发明专利技术结合纳米材料的优点，方便调控单层石墨烯和磁性绝缘体纳米片的耦合作用，改善石墨烯自旋极化的效率；同时具有成本低、成品率高、易推广的优势，达到便捷高效、灵活操作的目的。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及石墨烯自旋极化技术，具体涉及一种产生石墨烯自旋极化的器件及其制备方法。
技术介绍
石墨烯作为一种天然的二维材料，其优异的物理、化学和机械性能，如高导电率、高电子迁移率、高导热率、高硬度，还有可调载流子浓度的特性，数微米的自旋输运相干扩散长度，使得石墨烯成为一种非常有前景的自旋电子学的基础材料。石墨烯在自旋电子学应用可作为导电通道，传输自旋极化的电流，比如，研究人员已经构造铁磁金属/石墨烯/铁磁金属三明治结构的自旋阀，可以在石墨烯中注入自旋极化电流。但铁磁材料与石墨烯的电导失配或者其他相关效应导致自旋注入效率较低。为了能更好地应用于自旋电子器件，直接诱导石墨烯自旋极化是最为合适。但是，石墨烯本身没有磁性且内禀自旋-轨道耦合极弱，石墨烯上实现自旋极化较为困难。HavardHaugen等研究人员发现，通过在石墨烯上面加铁磁绝缘体材料，其磁邻近作用可以在石墨烯上诱导出交换场，使石墨烯实现自旋极化。目前，利用磁性绝缘体实现石墨烯自旋极化输运仍主要处于理论研究阶段。由于制备技术所限制，磁性绝缘体/石墨烯异质结构器件的相关报道较少，且石墨烯自旋极化效率较低，这其中很大影响是来源于石墨烯转移工艺。转移石墨烯过程很容易降低石墨烯的品质，影响自旋极化效率。此外，为实现有效的隧穿电流，它们所用的磁性绝缘体为小于50nm厚度的高质量薄膜，导致所用的仪器较为昂贵且工艺较为复杂，成品率也不高。
技术实现思路
针对以上现有技术中存在的问题，产生自旋极化的石墨烯器件及其制备方法，解决了现有技术的成本昂贵、成品率低、不易推广的问题，达到便捷高效、灵活操作的目的。本专利技术的一个目的在于提供一种产生自旋极化的石墨烯器件。本专利技术的产生自旋极化的石墨烯器件包括：衬底、单层石墨烯、磁性绝缘体纳米片和金属电极；其中，衬底包括下层的导电层和上层的绝缘层；微机械剥离法制备的单层石墨烯通过范德瓦耳斯力粘附在衬底的绝缘层上磁性绝缘体纳米片位于单层石墨烯的中心，形成垂直方向的磁性绝缘体纳米片/石墨烯异质结构，磁性绝缘体纳米片的水平尺寸与单层石墨烯的水平尺寸的比例小于2/3；金属电极位于单层石墨烯上并且位于磁性绝缘体纳米片的四周；磁性绝缘体纳米片的形状为片状或条带状，表面平整光滑，材料具有单相铁磁性、反铁磁性或多铁性；磁性绝缘体纳米片/石墨烯异质结构，在磁性绝缘体纳米片与单层石墨烯的界面，磁性绝缘体纳米片中磁性原子的电子轨道和单层石墨烯的π电子轨道杂化产生磁邻近作用，通过磁性绝缘体纳米片的磁邻近作用，诱导单层石墨烯上产生交换场，使得单层石墨烯出现塞曼分裂而导致自旋极化。在衬底中，导电层为高浓度p型掺杂；导电层上方的绝缘层采用氧化物，厚度为280～300nm。单层石墨烯具有高载流子迁移率。磁性绝缘体纳米片的制备方法具有多样性，水热法、化学气相沉积法或激光脉冲沉积等其他制备方法；磁性绝缘体纳米片的长和宽均为微米量级，厚度在70～700nm。金属电极包括缓冲层和金属层，其中，缓冲层粘附在衬底上，金属层位于缓冲层上，缓冲层采用功函数在石墨烯和金属层的功函数之间的金属，比如金属层采用Au，则缓冲层选择Pd或Ti可起到减小肖特基势垒和增加金属层与衬底粘附性的作用；缓冲层的厚度为5～10nm，金属层的厚度大于40nm。磁性绝缘体纳米片具有多铁性，在磁性绝缘体纳米片上加上顶栅，形成双栅场效应晶体管，利用多铁性材料的磁电耦合效应，用顶栅电压调制多铁性材料的磁性，最终实现顶栅电压调制石墨烯的自旋极化。本专利技术的另一个目的在于提供一种产生自旋极化的石墨烯器件的制备方法。本专利技术的产生自旋极化的石墨烯器件的制备方法，包括以下步骤：1)提供表面洁净的衬底，衬底包括下层的导电层和上层的绝缘层；2)采用微机械剥离法制备单层石墨烯，并通过范德瓦耳斯力粘附在衬底的绝缘层上；3)根据单层石墨烯的水平尺寸，挑选磁性绝缘体纳米片，磁性绝缘体纳米片的水平尺寸与单层石墨烯的水平尺寸的比例小于2/3，磁性绝缘体纳米片的形状为片状或条带状，表面平整光滑，材料具有单相铁磁性、反铁磁性或多铁性；4)将磁性绝缘体纳米片吸附在纳米微机械显微操纵台的玻璃针尖上，通过玻璃针尖将磁性绝缘体纳米片转移并吸附在单层石墨烯上，并使得磁性绝缘体纳米片位于单层石墨烯的中间，形成垂直方向的磁性绝缘体纳米片/石墨烯异质结构；5)在磁性绝缘体纳米片的上方压上电子束抗蚀剂片，从而使得磁性绝缘体纳米片与单层石墨烯更紧密结合，电子束抗蚀剂片的水平尺寸大于单层石墨烯的水平尺寸；6)采用电子束曝光技术，在单层石墨烯上面形成金属电极的图案，电子束曝光技术的工艺过程中同时除去电子束抗蚀剂片；7)采用电子束镀膜或热蒸发镀膜技术制备金属电极：先镀上缓冲层，再镀上金属层；8)根据实际需要，重复步骤6)和7)，形成石墨烯器件。其中，在步骤1)中，衬底的导电层为高浓度p型掺杂；导电层上方的绝缘层采用氧化物，厚度为280～300nm；衬底的表面洁净。在步骤3)中，磁性绝缘体纳米片的表面平整干净，长宽为微米量级，根据石墨烯尺寸而选择合适尺寸的磁性绝缘体纳米片；如果磁性绝缘体纳米片的水平尺寸大于100nm，则将磁性绝缘体纳米片放入溶液中进行高功率超声震荡以获得小尺寸的磁性绝缘体纳米片；粉末型的磁性绝缘体纳米片平铺在有凹槽的基底上，可多次重复挑选使用。磁性绝缘体纳米片的制备方法具有多样性，水热法、化学气相沉积法或激光脉冲沉积等其他制备方法；磁性绝缘体纳米片的长和宽均为微米量级，厚度在70～700nm。异质结构的界面质量对于形成强的邻近作用非常重要，因此，制备工艺过程要保证界面的干净和平整，尽量在超净间进行实验，以实现高质量的磁性绝缘体/石墨烯的异质界面。在步骤7)中，缓冲层采用功函数在石墨烯和金属层的功函数之间的金属；缓冲层的厚度为5～10nm，金属层的厚度大于40nm。磁性绝缘体纳米片具有多铁性，在磁性绝缘体纳米片上加上顶栅，形成双栅场效应晶体管，利用多铁性材料的磁电耦合效应，用顶栅电压调制多铁性材料的磁性，最终实现顶栅电压调制石墨烯的自旋极化。本专利技术的优点：本专利技术采用微机械剥离法制备单层石墨烯，根据单层石墨烯的水平尺寸，挑选磁性绝缘体纳米片，通过纳米微机械显微操纵台的玻璃针尖将磁性绝缘体纳米片转移到单层石墨烯上，形成磁性绝缘体纳米片/石墨烯异质结构；在磁性绝缘体纳米片上方压上电子束抗蚀剂片，从而使得磁性绝缘体纳米片与单层石墨烯更紧密结合，有利于出现石墨烯的自旋极化，还可以防止旋涂导致的石墨烯破裂，提高成品率；本专利技术结合纳米材料的优点，方便调控单层石墨烯和磁性绝缘体纳米片的耦合作用，改善石墨烯自旋极化的效率；同时具有成本低、成品率高、易推广的优势，达到便捷高效、灵活操作的目的。附图说明图1为单层石墨烯狄拉克(Dirac)锥型能带结构图，其中，(a)为未出现塞曼分裂的单层石墨烯Dirac锥型能带结构；(b)为出现塞曼分裂的石墨烯Dirac锥型能带结构，电荷中性点存在自旋向上的空穴和自旋向下的电子，图1中：1为未塞曼分裂的Dirac锥、2为费米能级、3为自旋向上的Dirac锥、4为自旋向下的Dirac锥、5为塞曼分裂能隙大小；图2为本专利技术的产生自旋极化的石墨烯器件的制备方法的一个实施例的流程图，图2中：6为单层石墨烯、7为衬底、8为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种产生自旋极化的石墨烯器件的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：1)提供表面洁净的衬底，衬底包括下层的导电层和上层的绝缘层；2)采用微机械剥离法制备单层石墨烯，并通过范德瓦耳斯力粘附在衬底的绝缘层上；3)根据单层石墨烯的水平尺寸，挑选磁性绝缘体纳米片，磁性绝缘体纳米片的水平尺寸与单层石墨烯的水平尺寸的比例小于2/3，磁性绝缘体纳米片的形状为片状或条带状，表面平整光滑，材料具有单相铁磁性、反铁磁性或多铁性；4)将磁性绝缘体纳米片吸附在纳米微机械显微操纵台的玻璃针尖上，通过玻璃针尖将磁性绝缘体纳米片转移并吸附在单层石墨烯上，并使得磁性绝缘体纳米片位于单层石墨烯的中间，形成垂直方向的磁性绝缘体纳米片/石墨烯异质结构；5)在磁性绝缘体纳米片的上方压上电子束抗蚀剂片，从而使得磁性绝缘体纳米片与单层石墨烯更紧密结合，电子束抗蚀剂片的水平尺寸大于单层石墨烯的水平尺寸；6)采用电子束曝光技术，在单层石墨烯上面形成金属电极的图案，电子束曝光技术的工艺过程中同时除去电子束抗蚀剂片；7)采用电子束镀膜或热蒸发镀膜技术制备金属电极：先镀上缓冲层，再镀上金属层；8)根据实际需要，重复步骤6)和7)，形成石墨烯器件。...

【技术特征摘要】
1.一种产生自旋极化的石墨烯器件的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：1)提供表面洁净的衬底，衬底包括下层的导电层和上层的绝缘层；2)采用微机械剥离法制备单层石墨烯，并通过范德瓦耳斯力粘附在衬底的绝缘层上；3)根据单层石墨烯的水平尺寸，挑选磁性绝缘体纳米片，磁性绝缘体纳米片的水平尺寸与单层石墨烯的水平尺寸的比例小于2/3，磁性绝缘体纳米片的形状为片状或条带状，表面平整光滑，材料具有单相铁磁性、反铁磁性或多铁性；4)将磁性绝缘体纳米片吸附在纳米微机械显微操纵台的玻璃针尖上，通过玻璃针尖将磁性绝缘体纳米片转移并吸附在单层石墨烯上，并使得磁性绝缘体纳米片位于单层石墨烯的中间，形成垂直方向的磁性绝缘体纳米片/石墨烯异质结构；5)在磁性绝缘体纳米片的上方压上电子束抗蚀剂片，从而使得磁性绝缘体纳米片与单层石墨烯更紧密结合，电子束抗蚀剂片的水平尺寸大于单层石墨烯的水平尺寸；6)采用电子束曝光技术，在单层石墨烯上面形成金属电极的图案，电子束曝光技术的工艺过程中同时除去电子束抗蚀剂片；7)采用电子束镀膜或热蒸发镀膜技术制备金属电极：先镀上缓冲层，再镀上金属层；8)根据实际需要，重复步骤6)和7)，形成石墨烯器件。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤1)中，衬底的导电层为高浓度p型掺杂；导电层上方的绝缘层采用氧化物，厚度为280～300nm；衬底的表面洁净。3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤3)中，磁性绝缘体纳米片的表面平整干净，长宽为微米量级，根据石墨烯尺寸而选择合适尺寸的磁性绝缘体纳米片；如果磁性绝缘体纳米片的水平尺寸大于100nm，则将磁性绝缘体纳米片放入溶液中进行高功率超声震荡以获得小尺寸的磁性绝缘体纳米片。4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤3)中，磁性绝缘体纳米片的制备方法采用水热法、化学气相沉积法或激光脉冲沉积的...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖志敏，吴燕飞，俞大鹏，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11