全氧化物异质结中具有面外自旋极化的自旋流的产生方法技术

本发涉及全氧化物异质结中具有面外自旋极化的自旋流的产生方法，在具有TiO2终端的(001)取向的SrTiO3单晶衬底上制备的外延生长SrRuO3/LaMnO3/SrIrO3复合外延异质薄膜；SrRuO3、LaMnO3和SrIrO3的厚度分别为4.0～8.0、2.4～6.0和12～40纳米；基于SrRuO3/LaMnO3/SrIrO3复合外延异质薄膜，通过微加工制备霍尔器件。利用霍尔器件测量电流驱动的磁矩翻转，在施加的外磁场分别为400奥斯特，0奥斯特和

【技术实现步骤摘要】
全氧化物异质结中具有面外自旋极化的自旋流的产生方法


[0001]本专利技术专利涉及全氧化物异质结中具有面外自旋极化的自旋流的产生方法，更具体地，是在全氧化物体系中通过界面电荷重构的方法诱导界面铁磁性，通过自旋轨道耦合进动效应产生具有面外极化的自旋流。

技术介绍

[0002]自旋轨道矩翻转磁矩作为第三代磁随机存储器的核心技术，引发了广泛的研究。它主要是通过自旋轨道矩来驱动磁矩的翻转，不同于第二代的自旋转移矩技术，自旋轨道矩可以通过施加面内电流的方式来实现磁矩的翻转，因此可以显著的提高存储器件的稳定性及降低功耗。在传统的重金属/铁磁体异质结中，由于自旋霍尔效应的存在，在重金属层中施加的电荷流可以有效的转化为自旋流。该体系中产生的面内极化的自旋流不能实现具有垂直磁各向异性磁矩的翻转。为了打破具有垂直磁各向异性的磁矩相对于面内极化的自旋流的对称性，可以施加垂直于自旋极化方向的面内外磁场，利用面内磁场作用于磁矩的力矩来打破对称性。但是施加额外的磁场不仅带来了技术上的挑战，还不利于器件的稳定性。因此，如何实现零场下有效的翻转具有垂直磁各向异性的磁矩是实现自旋轨道矩应用于磁随机存储技术中的有先决条件。实现零场翻转的方法主要有两种方式，一种是引入等效的面内磁场，如引入交换偏置、倾斜磁各向异性等；另一种是引入具有面外极化的自旋流，打破垂直各向异性磁矩相对于面内自旋极化自旋流的对称性，实现零场磁矩的翻转。
[0003]基于上述背景，我们提出了在SrRuO3/LaMnO3/SrIrO3全氧化物异质结中诱导产生具有面外自旋极化的自旋流的方法，并实现了零场磁矩的翻转。该异质结构中，SrRuO3作为铁磁层，具有垂直磁各向异性；LaMnO3作为反铁磁绝缘层，可以以磁子流的方式传输自旋流；SrIrO3层具有强的自旋轨道耦合效应，可以通过自旋霍尔效应将电荷流转化为自旋流。该方法提供了能够一种简单、廉价并可工业化推广的产生具有面外自旋极化自旋流的技术。

技术实现思路

[0004]基于上述目的，我们利用脉冲激光沉法制备了SrRuO3/LaMnO3/SrIrO3全氧化物异质结，通过LaMnO3与SrIrO3之间的电荷重构，诱导出了具有铁磁性的LaMnO3/SrIrO3界面，通过自旋轨道进动效应，在铁磁性的LaMnO3/SrIrO3界面产生了具有面外自旋极化的自旋流，实现了零场下的磁矩翻转。
[0005]具体技术方案如下：
[0006]全氧化物异质结中具有面外自旋极化的自旋流的产生方法，利用脉冲激光沉积法来制备SrRuO3/LaMnO3/SrIrO3复合外延异质薄膜，包括如下步骤：
[0007]1)在具有TiO2终端的(001)取向的SrTiO3单晶衬底上制备的外延生长SrRuO3/LaMnO3/SrIrO3复合外延异质薄膜；SrRuO3、LaMnO3和SrIrO3的厚度分别为4.0～8.0、2.4～6.0和12～40纳米；样品生长的结构如附图1所示。
[0008]2)基于SrRuO3/LaMnO3/SrIrO3复合外延异质薄膜，通过微加工制备霍尔器件。
[0009]所述步骤1)中包括如下步骤：
[0010](1)分别选择SrRuO3、LaMnO3和SrIrO3靶材，在(001)取向的、具有TiO2终端的SrTiO3基底上制备SrRuO3/LaMnO3/SrIrO3复合外延异质薄膜，基底温度为650～850摄氏度，氧气流量为每分钟10～50立方厘米，溅射压强为1～8.0帕；
[0011](2)先生长4.0～8.0纳米的SrRuO3薄膜、接着生长2.4～6.0纳米的LaMnO3薄膜，最后生长12～40纳米的SrIrO3薄膜；样品生长的结构如附图1所示。
[0012](3)薄膜生长结束后，在650～850摄氏度，氧压为133帕的条件下，原位退火20～120分钟，再以10～40℃/min的速率降温至室温。生长样品的投射电子显微镜图像及元素分布如附图2所示。
[0013]所述步骤2)中包括如下步骤：
[0014](1)用旋涂仪在制备的SrRuO3/LaMnO3/SrIrO3复合外延异质薄膜上，旋涂厚度为100～800纳米的电子束曝光负胶；用电子束曝光系统进行曝光后，在显影液中进行显影，得到霍尔器件的图样；
[0015](2)采用氩离子刻蚀系统进行刻蚀，刻蚀出霍尔器件图样；用丙酮将电子束胶去除干净；
[0016](3)接着用旋涂仪旋涂1～5微米厚的光刻胶，采用激光直写系统进行曝光，曝光后在显影液中显影，得到电电极的图样。
[0017](4)采用磁控溅射法，制备Ti/Au电极，Ti和Au的厚度分别为5～20纳米和20～200纳米范围内，接着用丙酮进行剥离，得到SrRuO3/LaMnO3/SrIrO3霍尔器件。器件的示意图如附图3a所示。
[0018]利用本专利技术方法制备的霍尔器件测量电流驱动的磁矩翻转方法，包括如下步骤：
[0019](1)施加幅值不同的脉冲宽度为100纳秒到12毫秒的脉冲电流，测量SrRuO3/LaMnO3/SrIrO3霍尔器件的霍尔电阻，霍尔器件的霍尔电阻结果如附图3b所示；观察到了反常霍尔效应的磁滞现象，用霍尔电阻表征SrRuO3层磁矩的翻转；
[0020](2)测量霍尔电阻随脉冲电流幅值变化的曲线，观察到正负脉冲电流能够可逆的调控霍尔电阻。结果如附图3c所示。
[0021]在施加的外磁场分别为400奥斯特，0奥斯特和
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400奥斯特。在400奥斯特和
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400奥斯特的外磁场下可以看到，电流驱动磁矩翻转的极性发生变化，在零磁场的条件下实现了磁矩翻转。
[0022]通过上述方法，我们成功在SrRuO3/LaMnO3/SrIrO3全氧化物异质结中实现了零场磁矩翻转，表明了面外极化的自旋流的产生。面外自旋极化自旋流的产生可以打破垂直磁各向异性体系相对于面内自旋极化的对称性，实现纯电流驱动的零场磁矩翻转。
附图说明
[0023]图1SrRuO3/LaMnO3/SrIrO3全氧化物异质结结构示意图。
[0024]图2SrRuO3/LaMnO3/SrIrO3全氧化物异质结的高分辨透射电子显微镜图像及原位电子能量损失谱图像，此图说明SrRuO3/LaMnO3/SrIrO3全氧化物异质结为外延生长，且成分均匀，没有扩散。
[0025]图3SrRuO3/LaMnO3/SrIrO3全氧化物异质结霍尔器件示意图、反常霍尔效应曲线及不同外磁场下电流驱动磁矩翻转的曲线。在施加的外磁场分别为400奥斯特，0奥斯特和
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400奥斯特。在400奥斯特和
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400奥斯特的外磁场下可以看到，电流驱动磁矩翻转的极性发生变化，在零磁场的条件下实现了磁矩翻转。
具体实施方式
[0026]根据我们对本专利技术中所制备的样品进行的磁矩翻转的效果进行分析，下面结合附图和最佳实施方式进行详细地说明：
[0027]本专利技术利用脉冲激光沉积法制备SrRu本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.全氧化物异质结中具有面外自旋极化的自旋流的产生方法，其特征在于：利用脉冲激光沉积法来制备SrRuO3/LaMnO3/SrIrO3复合外延异质薄膜，包括如下步骤：1)在具有TiO2终端的(001)取向的SrTiO3单晶衬底上制备的外延生长SrRuO3/LaMnO3/SrIrO3复合外延异质薄膜；SrRuO3、LaMnO3和SrIrO3的厚度分别为4.0～8.0、2.4～6.0和12～40纳米；2)基于SrRuO3/LaMnO3/SrIrO3复合外延异质薄膜，通过微加工制备霍尔器件。2.如权利要求1所述的全氧化物异质结中具有面外自旋极化的自旋流的产生方法，其特征在于：步骤1)中包括如下步骤：(1)分别选择SrRuO3、LaMnO3和SrIrO3靶材，在(001)取向的、具有TiO2终端的SrTiO3基底上制备SrRuO3/LaMnO3/SrIrO3复合外延异质薄膜，基底温度为650～850℃，氧气流量为每分钟10～50立方厘米，溅射压强为1～8.0帕；(2)先生长4.0～8.0纳米的SrRuO3薄膜、接着生长2.4～6.0纳米的LaMnO3薄膜，最后生长12～40纳米的SrIrO3薄膜；(3)薄膜生长结束后，在650～850℃，氧压为133帕的条件下，原位退火20～120分钟，再...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑东兴，李宇，金朝，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：