【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于发光器件，具体涉及一种全范德华室温自旋发光器件及其制备和应用方法。
技术介绍
1、自旋发光二极管是一类重要的自旋电子学器件，在光信息传输、量子密码通信、三维显示等领域具有较大的应用潜力，是当前半导体和发光器件领域的研究热点之一。自旋发光二极管在被提出初期，在gaas基半导体异质结中利用顺磁半导体或者磁性半导体作为自旋注入端；但由于磁性半导体的居里温度较低，其在室温下不能进行有效的自旋注入。因此，与自旋注入相关的研究成为半导体自旋发光二极管研究的核心问题。后续选用居里温度较高的铁磁体作为自旋注入端的改进结构(如“铁磁体/半导体”结构)，也存在严重的电导不匹配，不能实现较高的自旋注入效率。
2、针对上述问题，rashba提出用隧穿势垒层的方法(phys.rev.b 62,r16267(2000))，即在铁磁体和半导体间插入势垒层构成“铁磁体/势垒层/半导体”结构，解决了电导不匹配问题，进而显著提高自旋注入效率。2005年，gerhardt等利用具有垂直磁各向异性的fetb作为自旋注入端，在零磁场90k下得到了0.7％圆偏振光极化率(appl.phys.lett.87,032502(2005))。此后，adelmann等团队分别利用mnga、fetb、copt作为自旋注入端，成功制备了具有垂直磁各向异性特性的自旋发光二极管，但自旋注入效率仍然较低(圆偏振率小于3％)(appl.phys.lett.89,112511(2006)。研究人员思考和设计更加优化的垂直磁各向异性自旋注入端，自旋极化率越高越好、厚度越薄
3、二维范德华材料具有原子级别的表面平整度、连续可调的样品厚度及无需晶格匹配的界面耦合特性，因其灵活的结构设计被研究应用于新型自旋发光二极管中，并展示出巨大的应用潜力。2016年，叶堉等人利用电学注入方式，将gamnas中的自旋极化空穴注入到ws2中，实现了基于二维材料的自旋发光二极管(nat.nanotechnol.11,598(2016))。同年，sanchez等实现了基于mos2/wse2异质结的自旋发光二极管(nano lett.16,5792(2016))。2022年，li等采用fe3gete2/hbn/wse2范德华异质结，在78k温度下实现了自旋发光(nat.nanotechnol.17,721(2022))。然而，尽管研究人员在自旋发光二极管研究方面取得了显著的进步，具有高极化率零磁场室温自旋发光二极管的研究仍然面临巨大挑战。
技术实现思路
1、本专利技术的主要目的在于针对室温自旋发光二极管实现难度较高等问题和不足，提供一种全范德华室温自旋发光器件，采用二维室温铁磁体自旋注入层和二维谷极化半导体有源层，并结合势垒隧穿层和石墨烯电极层，构建全范德华异质结室温自旋发光器件；通过在二维室温铁磁体自旋注入层和石墨烯电极层上施加电压(电流)，即可在室温条件下获得具有较高极化率的偏振发光。
2、为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
3、一种全范德华室温自旋发光器件，它包括自下而上依次设置的二维室温铁磁体自旋注入层、第一隧穿势垒层、二维谷极化半导体有源层、第二隧穿势垒层和电极层，其中，在二维室温铁磁体自旋注入层和石墨烯电极层分别设置用于施加电压或电流的导电电极。
4、进一步地，所述全范德华是指全范德华室温自旋发光器件中，所有功能层之间均为范德华接触的界面。
5、进一步地，在二维室温铁磁体自旋注入层的下表面和石墨烯电极层的上表面分别设置用于施加电压或电流的导电电极。
6、上述方案中，所述二维室温铁磁体自旋注入层选用居里温度为300k以上，且具有强面外磁各向异性的二维本征铁磁体；具体可选用fe3gate2(fgt)、mnsite3、mngete3及其掺杂化合物等室温二维铁磁体中的一种。
7、进一步地，所述二维室温铁磁体自旋注入层为薄膜或晶体。
8、上述方案中，所述二维谷极化半导体有源层的选材为ws2、wse2、mos2、mose2及其异质结等中的一种。
9、上述方案中，所述第一隧穿势垒层、第二隧穿势垒层的选材为氮化硼或其它具有较高势垒的二维范德华材料(绝缘体或半导体材料)中的一种。优选的，所述二维室温铁磁体自旋注入层的厚度为10-40nm。
10、优选的，所述第一隧穿势垒层、第二隧穿势垒层的厚度为0.7-10nm；有源区为单原子层ws2薄膜。
11、上述方案中，所述电极层可选用石墨烯等具有良好导电性能的材料，其厚度为5-15nm。
12、上述方案中，所述导电电极可选用金、石墨烯或铂等电极。
13、进一步地，所述二维室温铁磁体自旋注入层设置在硅片上。
14、进一步地，所述一个导电电极设置在维室温铁磁体自旋注入层下表面的一侧，另一个导电电极设置在石墨烯电极层上表面的对侧。
15、进一步地，所述fgt薄膜采用机械剥离法、分子束外延或化学沉积法制备得到；fgt晶体采用化学气相转移法制备得到。
16、上述方案中，所述氮化硼势垒层、二硫化钨有源层采用机械剥离制备得到。
17、上述方案中，所述二维室温铁磁体自旋注入层与氮化硼隧穿势垒层之间、氮化硼隧穿势垒层与二硫化钨有源层之间、二硫化钨有源层与石墨烯电极层之间分别采用干式转移法直接贴合制备。
18、上述一种全范德华室温自旋发光器件的制备方法，包括如下步骤：
19、1)在硅片上预制一组(两个)导电电极；
20、2)将二维室温铁磁体自旋注入层采用干式转移法贴合至其中一个导电电极上；
21、3)将第一隧穿势垒层采用干式转移法贴合至二维室温铁磁体自旋注入层上；
22、4)将二维谷极化半导体有源层采用干式转移法贴合至第一隧穿势垒层上；
23、5)将第二隧穿势垒层转移到二维谷极化半导体有源层上；
24、6)将电极层转移到第二隧穿势垒层上，并在电极层的一端设置另一个预制的导电电极，得所述全范德华室温自旋发光器件。
25、上述器件制备过程中，需要每一个功能层的表面保持干净，确保样品功能层在转移之后能够有效耦合。
26、进一步地，所述全范德华室温自旋发光器件制备完成后，依次进行热处理和加压处理，进一步提升不同层之间的有效耦合效果，提高器件中载流子传输效率，有效保证器件的室温自旋发光性能(否则本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种全范德华室温自旋发光器件，其特征在于，它包括自下而上依次设置的二维室温铁磁体自旋注入层、第一隧穿势垒层、二维谷极化半导体有源层、第二隧穿势垒层和电极层，其中，在二维室温铁磁体自旋注入层和石墨烯电极层分别设置用于施加电压或电流的导电电极。
2.根据权利要1所述的全范德华室温自旋发光器件，其特征在于，所述二维室温铁磁体自旋注入层的选材为Fe3GaTe2、MnSiTe3或MnGeTe3。
3.根据权利要1所述的全范德华室温自旋发光器件，其特征在于，所述二维谷极化半导体有源层的选材为WS2、WSe2、MoS2、MoSe2及其异质结中的一种。
4.根据权利要1所述的全范德华室温自旋发光器件，其特征在于，所述第一隧穿势垒层、第二隧穿势垒层的选材为氮化硼。
5.根据权利要1所述的全范德华室温自旋发光器件，其特征在于，所述二维室温铁磁体自旋注入层的厚度为10-40nm。
6.根据权利要1所述的全范德华室温自旋发光器件，其特征在于，第一隧穿势垒层、第二隧穿势垒层的厚度为0.7-10nm；有源区为单原子层WS2薄膜。
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8.一种全范德华室温自旋发光器件的应用方法，其特征在于，将全范德华室温自旋发光器件所述二维室温铁磁体自旋注入层作为负电极，电极层作为正电极，然后施加电压或电流，实现偏振发光。
9.根据权利要求8所述的应用方法，其特征在于，施加电压大小为1-15V，电流为0.01-0.5mA。
10.根据权利要求8所述的应用方法，其特征在于，施加电压或电流的过程中，还引入磁场。
...【技术特征摘要】
1.一种全范德华室温自旋发光器件，其特征在于，它包括自下而上依次设置的二维室温铁磁体自旋注入层、第一隧穿势垒层、二维谷极化半导体有源层、第二隧穿势垒层和电极层，其中，在二维室温铁磁体自旋注入层和石墨烯电极层分别设置用于施加电压或电流的导电电极。
2.根据权利要1所述的全范德华室温自旋发光器件，其特征在于，所述二维室温铁磁体自旋注入层的选材为fe3gate2、mnsite3或mngete3。
3.根据权利要1所述的全范德华室温自旋发光器件，其特征在于，所述二维谷极化半导体有源层的选材为ws2、wse2、mos2、mose2及其异质结中的一种。
4.根据权利要1所述的全范德华室温自旋发光器件，其特征在于，所述第一隧穿势垒层、第二隧穿势垒层的选材为氮化硼。
5.根据权利要1所述的全范德华室温...
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