一种基于低维反铁磁/铁磁绝缘体异质结的交换偏置可调的器件制造技术

一种基于低维反铁磁/铁磁绝缘体异质结的交换偏置可调的器件，一种基于低维反铁磁/铁磁绝缘体异质结的交换偏置可调的器件，(1)由低维铁磁绝缘体覆盖反铁磁拓扑绝缘体构成异质结；异质结的构型有两种，即铁磁绝缘体完整覆盖反铁磁拓扑绝缘体和铁磁绝缘体半覆盖反铁磁拓扑绝缘体；(2)在异质结上方覆盖一层非磁性的绝缘保护层；(3)在异质结中，能观测到明显的交换偏置效应；(4)通过改变铁磁绝缘体覆盖的范围，能调控交换偏置的符号；(5)器件所用材料体系为范德瓦尔斯层状材料；通过改变铁磁绝缘体覆盖的范围，能调控交换偏置符号；在磁性材料居里温度和奈尔温度以下，利用低温和磁场进行磁输运测量能测量反常霍尔效应。场进行磁输运测量能测量反常霍尔效应。场进行磁输运测量能测量反常霍尔效应。

【技术实现步骤摘要】
一种基于低维反铁磁/铁磁绝缘体异质结的交换偏置可调的器件


[0001]本专利技术属于磁存储
，特别涉及一种基于低维反铁磁/铁磁绝缘体异质结的交换偏置可调的器件。

技术介绍

[0002]交换偏置效应最早是在CoO包裹的Co纳米颗粒中观测到的，随后，大量研究交换偏置效应的工作相继出现。交换偏置在磁存储和磁记录器件方面具有重要应用价值。交换偏置效应由铁磁与反铁磁界面的交换相互作用引起，所以界面质量在交换偏置效应上扮演重要角色。然而传统的薄膜沉积方法制备的铁磁与反铁磁异质结有一些难以避免的问题，比如不同材料层间的元素扩散、界面处应力、晶格匹配等，这限制了可实现交换偏置的体系。而磁性范德瓦尔斯层状材料(如CrI3、CrBr3、Cr2Si2Te6、VSe2、Cr2Ge2Te6、Fe3GeTe2等等)则为交换偏置的研究提供了全新的材料体系平台。丰富的磁性范德瓦尔斯层状材料，可以提供多自由度的堆叠可能性，拓宽交换偏置研究的材料选择范围；且可以避免异质结界面的表面重构与组分变化。
[0003]交换偏置一般需要先进行场冷，取垂直样品平面向上为正方向(以下无特殊说明均为该方向)，交换偏置大小的定义为μ0H
eb
＝(μ0H
c_r
‑
μ0H
c_l
)/2，μ0H
c_r
为右侧矫顽场的绝对值，μ0H
c_l
为左侧矫顽场的绝对值。当μ0H
eb
为正时，则定义为正交换偏置；当μ0H
eb
为负时，则定义为负交换偏置。
[0004]近年来，磁性范德瓦尔斯材料中的交换偏置研究取得了一些有益的进展。新加坡国立大学在CrCl3/Fe3GeTe2异质结的器件中测到了交换偏置效应，其在2.5K时μ0H
eb
最大能达到50mT。韩国科学与技术研究院的研究人员在氧化的Fe3GeTe2中观测到了交换偏置现象，这里样品表面约几纳米的氧化Fe3GeTe2层是反铁磁态，与未氧化的铁磁态Fe3GeTe2形成了铁磁/反铁磁界面产生交换偏置。华中科技大学的研究人员在MnPS3/Fe3GeTe2异质结和MnPSe3/Fe3GeTe2异质结中也观测到明显的交换偏置现象。
[0005]在这些以往的异质结研究中，磁性异质结中交换偏置μ0H
eb
的符号取决于其中的磁相互作用。在场冷方向为正时，负的交换偏置对应μ0H
eb
的符号为负。在相反的场冷方向下，得到的μ0H
eb
的符号也相反；即负的交换偏置在负向的场冷方向下μ0H
eb
为正。在场冷方向、测量条件等其他条件不变的情况下，同一材料类型异质结中的交换偏置μ0H
eb
的符号基本是不变的。因此，通过改变器件结构来实现交换偏置符号的变化就显得十分重要。

技术实现思路

[0006]为了解决现有技术中的问题，本专利技术目的是，提供一种基于低维反铁磁/铁磁绝缘体异质结的交换偏置可调的器件及制备方法，旨在通过改变器件构型来改变交换偏μ0H
eb
的符号。
[0007]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种基于低维反铁磁/铁磁绝缘体异
质结的交换偏置可调的器件。
[0008]本专利技术的制备方法包括以下步骤：其中，反铁磁拓扑绝缘体与铁磁绝缘体异质结的制备，包括以下步骤：
[0009]步骤1、利用机械剥离的方法将MnBi2Te4块体剥离到胶带上，得到薄层的MnBi2Te4介观样品。
[0010]步骤2、将带有MnBi2Te4样品的胶带贴在氧化硅片衬底上，再移除胶带，让MnBi2Te4样品通过范德瓦尔斯力留在氧化硅片衬底上。
[0011]步骤3、通过电子束光刻、电子束蒸发和剥离工艺在MnBi2Te4薄层样品上制备出金电极。
[0012]步骤4、利用机械剥离的方法将CrI3块体剥离到胶带上，再将CrI3薄片转移到聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜上，并贴在载玻片上。
[0013]步骤5、利用转移平台，通过干法转移工艺，将CrI3薄片转移到制备好电极的MnBi2Te4样品上，CrI3薄片可以完整覆盖或局部覆盖住MnBi2Te4样品。
[0014]步骤6、利用机械剥离的方法将六方氮化硼(h
‑
BN)块体剥离到胶带上，将其薄片转移到聚二甲基硅氧烷薄膜上，并贴在载玻片上。
[0015]步骤7、利用转移平台，通过干法转移工艺，将h
‑
BN薄片转移到制备好的CrI3/MnBi2Te4异质结上，h
‑
BN要将整个异质结封盖住以隔绝大气。
[0016]作为一个优选方案，步骤1、步骤4和步骤6中的胶带选用日本Nitto产的胶带。
[0017]作为一个优选方案，步骤2中的衬底选用覆盖有300纳米氧化硅的硅片。
[0018]作为一个优选方案，步骤2中的MnBi2Te4样品的长宽尺寸在十微米的数量级，厚度为十纳米左右。
[0019]作为一个优选方案，步骤3中金电极的厚度为20纳米。
[0020]作为一个优选方案，步骤4中CrI3的厚度为数十纳米。
[0021]作为一个优选方案，上述步骤需要在充满氩气的惰性气体的手套箱内进行，保护样品免受空气氧化。
[0022]从而得到(1)由低维铁磁绝缘体覆盖反铁磁拓扑绝缘体构成异质结；这里反铁磁拓扑绝缘体在下层、铁磁绝缘体在上层(两种材料位置可以颠倒)；异质结的构型有两种，即铁磁绝缘体完整覆盖反铁磁拓扑绝缘体和铁磁绝缘体半覆盖反铁磁拓扑绝缘体；(2)在异质结上方覆盖一层非磁性的绝缘保护层；(3)在异质结中，能观测到明显的交换偏置效应；(4)通过改变铁磁绝缘体覆盖的范围，能调控交换偏置的符号；(5)器件所用材料体系为范德瓦尔斯层状材料，有利于器件的制备与集成；氧化硅片、硅片、玻璃、陶瓷均可为本专利技术的衬底。
[0023]异质结器件中的低维铁磁绝缘体为CrI3、CrBr3，低维反铁磁拓扑绝缘体选择MnBi2Te4。
[0024]对异质结器件进行场冷，取磁场垂直样品表面向上为场冷的正方向(无特殊说明均为该方向)；在磁性材料的居里温度和奈尔温度以下，利用低温和磁场环境下进行磁输运测量，能测量反常霍尔效应；在全覆盖的异质结器件中，能观测到负的交换偏置效应；在半覆盖的异质结器件中，能观测到正的交换偏置效应。
[0025]优选地，反铁磁拓扑绝缘体选取MnBi2Te4，铁磁绝缘体选取CrI3，MnBi2Te4的厚度在
十纳米的数量级，过厚的MnBi2Te4样品没有可观测的反常霍尔效应。
[0026]优选地，这里从100K以上的温度开始施加一个磁场进行场冷，场冷的起始温度要超过两种材料的磁性临界温度，再降温到两者的磁性临界温度以下测量交换偏置。
[0027]有益效果：通过本专利技术中所述的技术方案，与现有技术相比，本专利技术可以通过异质结的全覆盖和半覆盖两种构型，在相同的场冷方向下，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于低维反铁磁/铁磁绝缘体异质结的交换偏置可调的器件，其特征在于：(1)由低维铁磁绝缘体覆盖反铁磁拓扑绝缘体构成异质结；异质结的构型有两种，即铁磁绝缘体完整覆盖反铁磁拓扑绝缘体和铁磁绝缘体半覆盖反铁磁拓扑绝缘体；(2)在异质结上方覆盖一层非磁性的绝缘保护层；(3)在异质结中，能观测到明显的交换偏置效应；(4)通过改变铁磁绝缘体覆盖的范围，能调控交换偏置的符号；(5)器件所用材料体系为范德瓦尔斯层状材料，有利于器件的制备与集成；通过改变铁磁绝缘体覆盖的范围，能调控交换偏置的符号；对异质结器件进行场冷，取磁场垂直样品表面向上为场冷的正方向；在磁性材料的居里温度和奈尔温度以下，利用低温和磁场环境下进行磁输运测量，能测量反常霍尔效应；在全覆盖的异质结器件中，能观测到负的交换偏置效应；在半覆盖的异质结器件中，能观测到正的交换偏置效应。从100K以上的温度开始施加一个磁场进行场冷，场冷的起始温度要超过两种材料的磁性临界温度，再降温到两者的磁性临界温度以下测量交换偏置；异质结器件中的低维铁磁绝缘体为CrI3、CrBr3，低维反铁磁拓扑绝缘体选择MnBi2Te4。2.根据权利要求1所述的基于低维反铁磁/铁磁绝缘体异质结的交换偏置器件，其特征在于：异质结器件中反铁磁拓扑绝缘体材料的厚度在十纳米的数量级。3.根据权利要求1所述的基于低维反铁磁/铁磁绝缘体异质结的交换偏置器件，其特征在于：异质结器件上覆盖一层非磁性的绝缘保护层，选择六方氮化硼或云母。4.根据权利要求1所述的基于低维反铁磁/铁磁绝缘体异质结的交换偏置器件，其特征在于：反铁磁材料与铁磁绝缘体材料的上下位置能颠倒或上下位置互相替换。5.根据权利要求1所述的基于低维反铁磁/铁磁绝缘体异质结的交换偏置器件，其特征在于：取正方向(垂直样品表面向上，以下无特殊说明均为该方向)的磁场进行场冷(Field cooling)后，可以在异质结器件中观测到交换偏置效应，交换偏置的大小为μ0H
eb
＝(μ0H
c_r
‑
μ0H
c_l

【专利技术属性】
技术研发人员：张帅，应哲，陈宁，宋凤麒，
申请(专利权)人：江苏集创原子团簇科技研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：