СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СПИН-ПОЛЯРИЗОВАННЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА В ГРАФЕНЕ Российский патент 2019 года по МПК H01L21/20 

Область техники

Изобретение относится к областям спинтроники и эпитаксиальных тонкопленочных материалов и заключается в получении спин-поляризованных носителей заряда в графене посредством формирования поверхностной фазы европия, и может быть использовано для создания таких устройств спинтроники, как спиновые логические устройства, спиновый транзистор и инжектор спин-поляризованных носителей.

Уровень техники

Интерес последних лет к спиновому транспорту связан с возможностью создавать энергоэффективные и быстродействующие устройства. Графен стал одним из приоритетных направлений спинтронных исследований, так как является перспективным материалом для электроники благодаря большой длине спиновой диффузии, достигающей нескольких микронов, возможности получить спиновый транспорт вплоть до комнатных температур, высокой подвижности носителей и контролю их концентрацию посредством затвора. Таким образом, в настоящее время стоит задача разработать способ получения графена высокого качества, обладающего магнитными свойствами.

Известно значительное количество работ, посвященных попыткам сделать графен магнитным различными, методами. В данном техническом решении предложен способ получения спин-поляризованных носителей в графене за счет создания поверхностной фазы Eu, демонстрирующей ферромагнитное поведение.

Известен подход, в котором спиновая поляризация носителей достигается за счет создания дефектов в структуре графена. Примером может послужить статья «Контроль магнетизма в графене при помощи атомов водорода на атомарном масштабе» «Atomic-scale control of graphene magnetism by using hydrogen atoms» (статья DOI: 10.1126/science.aad8038), в которой дефекты в структуре создаются при помощи легких адатомов водорода, образующих сильную ковалентную связь, что приводит к исчезновению одной p_z орбитали на адатом. Нарушение симметрии приводит к возникновению квазилокального магнитного момента в соответствии с теоремой Либа в рамках модели Хаббарда для двух подрешеток - структуры характерной для графена, чья решетка состоит из двух треугольных подрешеток.

Известны и другие способы получения магнитных состояний в графене путем создания вакансий и нарушения симметрий решетки. К ним относят облучение графена протонами, создание графеновых нанолент или имплантирование тяжелых атомов, однако нарушение структуры кристалла приводит к значительному ухудшению спинового транспорта. Кроме того, процессы формирования дефектов зачастую вероятностны и неудобны для производства наноразмерных устройств.

Известны изобретения «Графеновый спиновый фильтр» патент РФ №2585404, «Наноустройства для спинтроники и методы их использования» «Nanodevices for spintronics and methods of using same» патент США № US 8378329 и научные статьи «Эффективная спиновая инжекция в графен через туннельный барьер: преодоление несоответствия в спиновой проводимости» «Efficient Spin Injection into Graphene through a Tunnel Barrier: Overcoming the Spin-Conductance Mismatch» (DOI: 10.1103/PhysRevApplied.2.044008), в которых спин-поляризованные носители инжектируются в графен из металлов Fe, Со, Ni и их сплавов. Описаны различные схемы инжекций: с прямым контактом с металлом, с контактом через тонкий диэлектрический слой, с контактом через немагнитный металл. Общим недостатком данных методов является низкая эффективность инжекций спин-поляризованных носителей и низкие спиновые токи.

Известно изобретение «Графеновое устройство, способное осуществлять спиновую поляризацию, и метод его создания» Заявка Китай № CN 106449968 А, в котором спиновая поляризация носителей достигается за счет близости графенового листа со слоем ферромагнитного изолятора. Недостатком данного изобретения является то, что объединение производится путем переноса тонкого листа изолятора на графен. Подобная схема сложно воспроизводима в промышленных масштабах и обеспечивает плохой контакт изолятора с графеновым листом, что ведет к худшей спиновой поляризации носителей.

Известны научные статьи, в которых спиновая поляризация достигается за счет переноса графена на ферромагнитные металлические пластины или создания тонкой пленки ферромагнитного металла на графене. Примером может являться статья «Электронная структура и магнитные свойства интеркаляционной системы графен/Fe/Ni(111)» «Electronic structure and magnetic properties of the graphene/Fe/Ni(111) intercalation-like system» (статья DOI: 10.1039/c1cp00014d), в которой графен расположен на поверхности кристалла никеля, а для улучшения магнитных свойств произведена интеркаляция графена атомами железа, обладающими большим, чем никель, магнитным моментом. Недостатком данного подхода является шунтирование графена металлом.

Задачей, решаемой изобретением, является создание эффективного способа получения спин-поляризованных носителей заряда в графене с сохранением его физических свойств, что может быть использовано для создания таких технических устройств, как спиновый транзистор и спиновый фильтр.

Для достижения технического результата предложен способ получения спин-поляризованных носителей заряда в графене, заключающийся в том, что методом молекулярно-лучевой эпитаксии на поверхности предварительно сформированной структуры монослой графена/подложка формируют субмонослой европия со структурой .

Описанный способ позволяет получить поверхностную фазу Eu на поверхности монослоя графена, что приводит появлению спин-поляризованных носителей в графене. Предложенный способ позволяет достичь высокой спиновой. Поляризации электронов в графене за счет обменного взаимодействия с атомами европия, обладающими большим магнитным моментом и находящимися в непосредственном контакте с поверхностью, в то же время покрытие поверхности субмонослоем не создает шунтирующего металлического проводящего слоя и не нарушает структуру графена, что не может быть достигнуто способами, указанными в аналогах.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется чертежами.

На Фиг. 1 даны изображения дифракции быстрых электронов на исходной поверхности Графен/SiO₂/Si до отжига (а) и после отжига (б). На рисунке (в) приведено изображение поверхностной фазы в процессе формирования поверхностной фазы европия - Eu/Графен/SiO₂/Si.

На Фиг. 2 дано схематичное изображение поверхностной фазы Eu/Графен. Под субмонослоем понимают слой вещества толщиной в один атом с неполным покрытием поверхности атомами (Фиг. 2).

На Фиг. 3 приведена зависимость намагниченности образца от магнитного поля, приложенного параллельно плоскости поверхности.

На Фиг. 4 приведено поведение намагниченности образца в зависимости от температуры в захваченном поле. Стрелками на изображении отмечено направление протекания процесса.

Осуществление изобретения

В изобретении предложен способ получения спин-поляризованных носителей в графене за счет создания поверхностной фазы. Eu, демонстрирующей ферромагнитное поведение, при температуре подложки Ts=20÷100°С и давлении потока атомов европия PEu=(1⋅10-8÷1⋅10-7) торр.

В установках молекулярно-лучевой эпитаксии обычно имеет место неоднозначная трактовка температур подложки. В настоящем изобретении температуры подложки выше 270°С определяются по показаниям инфракрасного пирометра, ниже - по показаниям термопары.

Давлением потока считается давление, измеренное ионизационным манометром Баярда-Альперта, находящимся в положении подложки.

Все параметры и материалы, указанные в примерах, соответствуют используемой в экспериментах установке и не являются единственно возможными.

В технологическом процессе может использоваться любая подложка с осажденным на нее монослоем графена, кроме указанной в примерах подложки из кремния, не деградирующая при приведенных ростовых условиях. Монослой графена предварительно может быть осажден на поверхность различных подложек при помощи как ростовых технологий, так и технологий переноса пленки «Science and technology roadmap for graphene, related two-dimensional crystals, and hybrid systems» (DOI: 10.1039/c4nr01600a)).

Примеры

Пример 1 осуществления способа изобретения. Структура Графен/SiO₂/Si помещается в сверхвысоковакуумную камеру (остаточный вакуум Р~1⋅10^-10 торр). Затем для очистки поверхности графена, осуществляется отжиг структуры при температуре T_s=600°С. Тот факт, что графен очищен, устанавливается с помощью дифракции быстрых электронов (Фиг. 1а-б). После чего структуру охлаждают до T_s=20÷100°С, затем открывают на 20 сек заслонку ячейки Eu предварительно прогретой до температуры, обеспечивающей давление потока P_Eu=4.5⋅10^-8 торр, что соответствует субмонослойному покрытию поверхности необходимой структуры . Условия осуществления регламентированы оборудованием - в данном эксперименте использовалось установка молекулярно-лучевой эпитаксии Riber Compact 12.

Во время осаждения чистого Eu на картинах дифракции быстрых электронов появляются промежуточные рефлексы (Фиг. 1в). Эти изменения свидетельствуют об образовании периодичного субмонослойного покрытия металлического европия со структурой типа (Фиг. 2). В связи с необходимостью полной защиты субмонослоя от окисления по окончании роста, не доставая образец; из высоковакуумной камеры, при помощи метода молекулярно-лучевой эпитаксии, пленку закрывают сплошным слоем Al толщиной не менее 100 нм. Исследования магнетизма структуры показали наличие ферромагнитного поведения. Полевая зависимость имеет нелинейный характер, присутствует насыщение при 4000÷5000 Э (Фиг. 3), измерения остаточной намагниченности в захваченном поле показали, что намагниченность образца, наведенная в поле 1000 Э при температуре 2 K, распадается при росте температуры. При последующем охлаждении образец не демонстрирует возвращение к прежнему значению намагниченности, что говорит о наличии, ферромагнитной составляющей магнетизма (Фиг. 4).

Пример 2

Способ реализуется, как в Примере 1, по окончании осаждения защитного слоя Al производится осаждение методом молекулярно-лучевой эпитаксии дополнительного защитного слоя SiO_x толщиной 200 нм.

Все ростовые процессы, указанные в примерах, производятся последовательно в одной установке молекулярно-лучевой эпитаксии в сверхвысоком вакууме.

В результате осуществления ростовых процедур, описанных в примерах, и последующей характеризации полученных пленок были впервые получены и изучены магнитные свойства графена с осажденным субмонослоем Eu со структурой .

Таким образом, показана возможность получения поверхностной фазы Eu. Получение такой фазы приводит к появлению спин-поляризованных носителей заряда в графене, что подтверждает достижение технического результата и может быть использовано при создании устройств спинтроники, например спиновых фильтров и инжекторов спин-поляризованного тока.

Использование: для получения спин-поляризованных носителей заряда в графене. Сущность изобретения заключается в том, что методом молекулярно-лучевой эпитаксии на поверхности предварительно сформированной структуры монослой графена/подложка формируют субмонослой европия со структурой Eu. Технический результат: обеспечение возможности получения спин-поляризованных носителей заряда в графене. 4 ил., 2 пр.

Способ получения спин-поляризованных носителей заряда в графене, заключающийся в том, что методом молекулярно-лучевой эпитаксии на поверхности предварительно сформированной структуры монослой графена/подложка формируют субмонослой европия со структурой Eu.