非互易自旋波异质结波导材料及其制备方法和用途技术

一种非互易自旋波异质结波导材料，包括GGG单晶基片；以及YIG/石墨烯异质结材料，所述YIG/石墨烯异质结材料通过在所述GGG单晶基片表面生长一YIG薄膜、并将单层石墨烯转移到所述YIG薄膜烘干处理形成。本发明专利技术同时提供了非互易自旋波异质结波导材料的制备方法和用途。本发明专利技术制得的YIG/石墨烯异质结薄膜相对于单一YIG薄膜上下表面传输的自旋波具有显著的非互易性，即YIG/石墨烯异质结材料的上下表面传播的自旋波幅值和峰位均发生了显著改变。

Nonreciprocal spin wave heterostructure waveguide material and preparation method and use thereof

A nonreciprocal spin wave heterostructure waveguide material, including GGG and YIG/ single crystal substrate; graphene heterostructure, the graphene heterostructures by YIG/ on the surface of GGG single crystal substrate of a YIG film, and the growth of graphene is transferred to the YIG film drying processing form. The invention also provides the preparation method and application of nonreciprocal spin wave heterostructure waveguide material. YIG/ graphene heterojunction thin film prepared by the invention has significant relative to the non reciprocity of single YIG film on the surface of the spin spin wave transmission, amplitude YIG/ graphene heterojunction materials on the surface of the spread of values and the peaks are changed significantly.

【技术实现步骤摘要】
非互易自旋波异质结波导材料及其制备方法和用途
本专利技术涉及新材料
，具体涉及一种非互易自旋波异质结波导材料及其制备方法和用途。
技术介绍
随着信息技术的高速发展，传统的电子器件由于存在电流焦耳热，电子器件的小型化和低功耗面领着严峻的瓶颈。自旋波(SpinWaves)是在磁有序材料中电子自旋进动的集体传播过程，具有无热耗散、非欧姆接触、极高工作频率范围、实现室温玻色-爱因斯坦凝聚、磁子超流等宏观量子效应等优点。基于自旋波的信息传输、逻辑计算有可能成为后摩尔时代信息传输、处理的重要方式之一。自旋波的波导材料要求损耗低，即要求材料具有很低的阻尼因子，迄今阻尼最小的材料是单晶钇铁石榴石(YIG)材料，理论阻尼可低至10-6。当采用微波天线激发自旋波在YIG中传播的时候，依据波矢k方向和面内磁场H方向的区别，可以分为两类不同类型的自旋波：(1)K⊥H,静磁表面波(Magnetostaticsurfacemodes，MSSW)；(2)K∥H,后向体波(backward-volumemagnetostaticwaves，BVMSW)。对于静磁表面波来讲，为了获得自旋波传播的非互易性，通常需要改变YIG上下表面的自旋波传输“环境”。但是，很难改变单层YIG薄膜上下表面的自旋波传输“环境”，其自旋波传输的非互易性不明显，仅仅是幅度上的差别，自旋波模式的峰位未发生变化。面对自旋波波导、自旋波逻辑器件等新型器件的迫切需求，研发具有显著非互易自旋波传输特性波导材料十分重要。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术提供一种非互易自旋波异质结波导材料及其制备方法。第一方面，本专利技术提供的一种非互易自旋波异质结波导材料，该材料包括GGG(钆镓石榴石)单晶基片；以及YIG/石墨烯异质结材料，所述YIG/石墨烯异质结材料通过在所述GGG(钆镓石榴石)单晶基片表面生长一YIG(钇铁石榴石)薄膜、并将单层石墨烯转移到所述YIG薄膜烘干处理形成。本专利技术中，作为一种优选的技术方案，所述YIG(钇铁石榴石)薄膜采用液相外延或者气相外延(真空气相沉积)的方式生长于所述GGG(钆镓石榴石)单晶基片的表面。本专利技术中，作为一种优选的技术方案，所述YIG(钇铁石榴石)薄膜为单晶薄膜，厚度为100纳米-50微米。本专利技术中，作为一种优选的技术方案，所述单层石墨烯利用化学气相沉积方法生长得到。本专利技术中，作为一种优选的技术方案，所述的YIG/石墨烯异质结材料最大直径3英寸。以上材料通过自旋波共振技术激发和探测自旋波传输特性，获得自旋波在YIG/GGG界面和YIG/石墨烯中的非互易传输曲线，证实为一种新型非互易自旋波异质结波导材料。第二方面，本专利技术提供了非互易自旋波异质结波导材料的制备方法，包括如下步骤：S1：选择高纯度(高于99.99％)Fe2O3和Y2O3作为原材料，通过液相外延法或者真空气相沉积方法，在GGG单晶基片上生长高品质YIG薄膜，得到GGG/YIG衬底。更详细的说，液相外延法生长YIG薄膜，具体是将高纯度Fe2O3、Y2O3和Bi2O3在1000-1100℃下熔融，Bi2O3作为熔剂，充分搅拌溶液，用重铬酸钾和浓硫酸的混合液、去离子水、NaOH和NaHCO3混合液、去离子水、异丙醇依次清洗GGG单晶基片，将GGG单晶基片置于铂金支架上，浸入液相环境，降低生长温度至900-980℃，缓慢旋转提拉杆，生长磁性YIG单晶薄膜，得到GGG/YIG衬底。S2：利用化学气相沉积方法，在铜箔或镍箔上生长单层石墨烯薄膜，得到铜基或镍基石墨烯。具体的说，是以甲烷等含碳化合物作为碳源，在镍箔、铜箔等具有溶碳量的金属基片上，在1000-1200℃基片温度下将碳源高温分解，碳原子渗入金属基片，再降低基片温度至800-900℃，碳原子会在金属基板表面析出，得到单层石墨烯薄膜。S3：将PMMA溶液滴到步骤S2得到的铜基或镍基石墨烯上，旋涂均匀后，置于加热板烘干，采用1mol/L的FeCl3溶液刻蚀掉铜箔或镍箔，经过去离子水清洗，得到悬浮的单层石墨烯；S4：将步骤S3中的单层石墨烯用步骤S1得到的GGG/YIG衬底捞出，保证石墨烯的平整，去掉PMMA层，在加热板上90℃烘干，制备得到YIG/石墨烯异质结材料，即为非互易自旋波异质结波导材料。在步骤S4中的YIG/石墨烯异质结材料上，通过光刻和蒸发镀膜制备两个间距100-2000微米的共面波导天线，天线阻抗50欧姆，天线用于激发和探测自旋波，证实该材料为一种非互易自旋波异质结波导材料。本专利技术中，作为一种优选的技术方案，所述真空气相沉积方法包括激光脉冲沉积法和磁控溅射法。本专利技术中，作为一种优选的技术方案，步骤S1中，首先通过固相反应法制备Y3Fe5O12靶材，通过激光脉冲沉积方法，在GGG单晶基片上生长高品质YIG薄膜，采用脉冲频率10-50Hz，氧分压0.1-0.5Pa，基片温度500-700℃。本专利技术中，作为一种优选的技术方案，步骤S1中，首先通过固相反应法制备Y3Fe5O12靶材，通过磁控溅射方法，在GGG单晶基片上生长高品质YIG薄膜，溅射功率30-70W，氧分压0.1-0.5Pa，基片温度550-750℃。第三方面，本专利技术提供的非互易自旋波异质结波导材料，在自旋电子学、自旋波波导、自旋波逻辑器件、量子计算领域具有广泛的应用前景，例如制作其中的核心元件，在此不作赘述。由于采用以上技术方案，本专利技术具有如下有益效果：本专利技术提出一种非互易自旋波异质结波导材料及其制备方法，简单可行的，所制得的YIG/石墨烯异质结薄膜相对于单一YIG薄膜上下表面传输的自旋波具有显著的非互易性，即YIG/石墨烯异质结材料的上下表面传播的自旋波幅值和峰位均发生了显著改变，如自旋波幅值有36％，2GHz微波激励下，自旋波峰位移动了13Oe，而自旋波异质结波导材料的厚度相比单层YIG薄膜并未发生明显改变，只是覆盖了一层碳原子层(石墨烯)，为自旋波波导材料的研究和制备提供了一种新方案，在自旋电子学、自旋波波导、自旋波逻辑器件、量子计算等众多领域有广泛的应用前景。附图说明图1为本专利技术所得到的GGG/YIG/石墨烯异质结自旋波波导材料示意图；图2为自旋波共振(SWR)法测试的YIG(200nm)/石墨烯体系中GGG/YIG和YIG/石墨烯界面的自旋波传输曲线。具体实施方式下面将结合具体实施例对本专利技术技术方案进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本专利技术的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本专利技术的保护范围。实施例1：一种非互易自旋波异质结波导材料，该材料包括GGG(钆镓石榴石)单晶基片以及YIG/石墨烯异质结材料，使用液相外延法在GGG单晶基片上生长高品质YIG薄膜，在YIG薄膜上，将化学气相沉积方法生长的单层石墨烯转移到高品质的YIG薄膜上，烘干处理形成YIG/石墨烯异质结材料，所述YIG(钇铁石榴石)薄膜为单晶薄膜，厚度在100纳米，所述单层石墨烯利用气相沉积方法生长得到，所述的YIG/石墨烯异质结材料最大直径3英寸。以上材料的制备方法，包括以下步骤：S1：选择高纯度(高于99.99％)Fe2O3和Y2O3作为原材料，通过液相外延方法，在GGG单晶基片上生长高品质YIG薄膜，得到GGG/YIG衬底，具体的说，本实施例中液相外延法具体本文档来自技高网...

【技术保护点】
非互易自旋波异质结波导材料，其特征在于，包括GGG单晶基片；以及YIG/石墨烯异质结材料，所述YIG/石墨烯异质结材料通过在所述GGG单晶基片表面生长一YIG薄膜、并将单层石墨烯转移到所述YIG薄膜烘干处理形成。

【技术特征摘要】
1.非互易自旋波异质结波导材料，其特征在于，包括GGG单晶基片；以及YIG/石墨烯异质结材料，所述YIG/石墨烯异质结材料通过在所述GGG单晶基片表面生长一YIG薄膜、并将单层石墨烯转移到所述YIG薄膜烘干处理形成。2.如权利要求1所述的非互易自旋波异质结波导材料，其特征在于，所述YIG薄膜采用液相外延或者真空气相沉积的方式生长于所述GGG单晶基片的表面。3.如权利要求2所述的非互易自旋波异质结波导材料，其特征在于，所述YIG薄膜为单晶薄膜，厚度为100纳米-50微米。4.如权利要求1所述的一种非互易自旋波异质结波导材料，其特征在于，所述单层石墨烯利用化学气相沉积方法生长得到。5.如权利要求1所述的非互易自旋波异质结波导材料，其特征在于，所述的YIG/石墨烯异质结材料最大直径3英寸。6.制备如权利要求1-5任一项所述非互易自旋波异质结波导材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：S1：选择高纯度Fe2O3和Y2O3作为原材料，通过液相外延法或者真空气相沉积方法，在GGG单晶基片上生长高品质YIG薄膜，得到GGG/YIG衬底；S2：利用化学气相沉积方法，在铜箔或镍箔上生长单层石墨烯薄膜，得到铜基或镍基石墨烯；S3：将PMMA溶液滴到步骤S2得到的铜基或镍基石墨烯...

【专利技术属性】
技术研发人员：金立川，洪彩云，张怀武，饶毅恒，杨青慧，钟智勇，文岐业，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51