СПОСОБ СОЗДАНИЯ УСТОЙЧИВЫХ К ОКИСЛЕНИЮ СВЕРХТОНКИХ ГРАФЕНОВЫХ СТРУКТУР СО СПИН-ПОЛЯРИЗОВАННЫМИ НОСИТЕЛЯМИ ЗАРЯДА Российский патент 2023 года по МПК H01L21/00 

Область техники

Изобретение относится к способам формирования гетероструктур, а именно графеновых структур, демонстрирующих спиновую поляризацию носителей заряда, которые могут быть использованы при создании сверхкомпактных спинтронных устройств.

Уровень техники

Рост производительности электронных устройств, долгое время осуществлявшийся за счет масштабирования, практически достиг фундаментального предела. Дальнейшее улучшение рабочих характеристик и расширение функциональности электронных устройств требует перехода на новые принципы работы. Одним из направлений электроники, предоставляющим концептуальную базу для создания таких устройств является спинтроника, использующая спиновую степень свободы носителей заряда. Реализация идей спинтроники невозможна без создания новых материалов и структур.

Графен рассматривается как перспективный материал для создания спинтронных устройств - он демонстрирует большие длины спиновой диффузии при комнатной температуре, высокую подвижность носителей заряда, возможность изменения концентрации носителей заряда под действием поперечного электрического поля и т.д. В то же время предельно малая толщина (1 монослой) позволяет обеспечить сверхкомпактность устройств. Однако графен немагнитен. Разработка спинтронных устройств на его основе требует создания в нем спиновой поляризации носителей извне - главным образом за счет эффекта близости с магнитным материалом.

При этом остается существенным сохранение сверхмалых толщин итоговых структур. Вместе с тем, формирование таких объектов представляет сложную задачу: уменьшение толщины ферромагнитного слоя в подавляющем большинстве случаев приводит к деградации его магнитных свойств. Также применение магнитного материала в форме сверхтонких пленок усугубляет проблему окисления на воздухе. Использование дополнительного защитного слоя для ее предотвращения в свою очередь увеличивает совокупную толщину структур. Таким образом, поиск и развитие методик синтеза устойчивых к окислению сверхтонких графеновых структур со спин-поляризованными носителями заряда является актуальной задачей.

На настоящий момент известен ряд публикаций по данной тематике, наиболее релевантные из которых приведены ниже.

Известно изобретение «Графеновое устройство, способное осуществлять спиновую поляризацию, и метод его создания» «Graphene device capable of realizing spin polarization and preparation method thereof» (CN106449968А), в котором спиновая поляризация носителей в графене достигается за счет близости графенового листа со слоем ферромагнитного изолятора. Известны изобретения «Графеновый спиновый фильтр» (RU2585404C1), «Наноустройства для спинтроники и методы их использования» «Nanodevices for spintronics and methods of using same» (US8378329B2), в которых спин-поляризованные носители инжектируются в графен из металлов Fe, Со, Ni и их сплавов. Известна статья «Достижение квантового аномального эффекта Холла в системе YIG/Графен/h-BN за счет эффекта близости» «Approaching quantum anomalous Hall effect in proximity-coupled YIG/graphene/h-BN sandwich structure» (DOI: 10.1063/1.5001318). В данной работе спиновая поляризация носителей была достигнута за счет интеграции графена с пленкой иттрий-железного граната. Недостатками данных изобретений является невозможность создания сверхтонких структур.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является «Способ получения спин-поляризованных носителей заряда в графене» (RU2697517C1), в котором спиновая поляризация носителей заряда в графене достигается путем формирования методом молекулярно-лучевой эпитаксии на поверхности предварительно сформированной структуры монослой графена/подложка субмонослоя европия со структурой Еu, представляющего собой поверхностную фазу Еu. Его недостатком является необходимость осаждения защитного слоя, например, оксида кремния, предотвращающего окисление европия и деградацию структуры на воздухе, что увеличивает толщину конечной структуры и ограничивает область ее применения.

Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является уменьшение размеров устройств спинтроники, использующих графен в качестве функционального слоя.

Раскрытие сущности изобретения

Техническим результатом настоящего изобретения является предельное уменьшение толщины функциональных графеновых структур со спин-поляризованными носителями заряда с сохранением устойчивости к окислению.

Для достижения технического результата предложен способ создания устойчивых к окислению сверхтонких графеновых структур со спин-поляризованными носителями заряда, заключающийся в том, что методом молекулярно-лучевой эпитаксии путем осаждения Еu формируют поверхностную фазу Еu, представляющую собой субмонослойную периодическую структуру из атомов Еu, при этом, осаждение Еu производят на предварительно сформированную гетероструктуру Графен/SiO₂/Si(001), в которой слой оксида кремния удаляют из-под графена путем отжига гетероструктуры при температуре T_s=950±20°С, при этом поверхностную фазу Eu 1×6 формируют под графеном на поверхности подложки Si(001) путем открытия заслонки ячейки Еu, обеспечивающего осаждение атомов Еu при давлении P_Eu=(0,3÷10)⋅10^-8 торр потока атомов Еu на гетероструктуру, поддерживаемую при температуре T_S=700±20°С, в течение времени, необходимого для формирования поверхностной фазы, после чего заслонку ячейки Еu закрывают, и гетероструктуру охлаждают до комнатной температуры.

В установках МЛЭ обычно имеет место неоднозначная трактовка температур подложки. В настоящем изобретении температурой подложки считается температура, определяемая по показаниям термопары. Давлением потока считается давление, измеренное ионизационным манометром Баярда - Альперта, находящимся в положении подложки.

Исходная гетероструктура, состоящая из слоя графена на подожке Si(001) со слоем оксида кремния на поверхности, может быть получена путем переноса графена на кремниевую подложку - например, по методике, описанной в публикации «Science and technology roadmap for graphene, related two-dimensional crystals, and hybrid systems» (DOI: 10.1039/c4nr01600a).

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется чертежами:

На фиг. 1 представлены картины дифракции быстрых электронов (ДБЭ): (а) гетероструктуры Графен/SiO₂/Si(001), (b) гетероструктуры Графен/Si(001), демонстрирующей реконструкцию 2×1 поверхности кремния (белые стрелки указывают на рефлексы от реконструированной 2x1 поверхности Si(001)), после удаления слоя оксида кремния, (с) гетероструктуры Графен/Eu 1×6/Si(001) с осажденным слоем Еu, образовавшим поверхностную фазу (ПФ) 1×6 (белые стрелки указывают на рефлексы от ПФ Еu 1×6). Черными стрелками отмечено местоположение рефлексов для случая нереконструированного Si(001).

На фиг. 2 показана атомная модель сформированной гетероструктуры Графен/Eu 1×6/Si(001): (а) вид сверху, (b) вид сбоку. Светло-серые шары соответствуют атомам Si, темно-серые шары - атомам Еu, черные - атомам С. Прямоугольником отмечена элементарная ячейка ПФ Еu 1×6.

На фиг. 3 показаны гальваномагнитные свойства гетероструктуры Графен/Eu 1×6/Si(001): (а) зависимость магнетосопротивления от магнитного поля, приложенного вдоль тока, при различных температурах, (b) зависимость аномального эффекта Холла от магнитного поля при различных температурах.

Осуществление изобретения

Пример 1.

Гетероструктура Графен/SiO₂/Si(001) помещается в сверхвысоковакуумную камеру (остаточный вакуум Р<1⋅10^-10 торр). Затем для удаления слоя оксида кремния из-под графена осуществляется отжиг гетероструктуры при температуре T_s=950±20°С в течение t=45 мин. Факт отсутствия оксида кремния устанавливается in situ с помощью дифракции быстрых электронов (ДБЭ): наблюдается реконструкция поверхности 2×1 (цифры в обозначении указывают кратность увеличения периода сформированной структуры в двух ортогональных направлениях относительно периода нереконструированной поверхности Si(001)). После этого на кремнии под слоем графена производится формирование субмонослойной периодической структуры из атомов Еu - поверхностной фазы (ПФ) Еu 1×6: температура подложки устанавливается на значение T_s=700±20°С, и происходит открытие заслонки ячейки Еu, нагретой до такой температуры (~430°С, температура ячейки Еu указана по измерениям с помощью термопары), чтобы обеспечивать давление потока атомов европия P_Eu=(0,3÷10)-10^-8 торр. Ячейка Еu держится открытой в течение времени, необходимого для формирования ПФ (конкретное время осаждения зависит от установленного потока; при давлении потока P_Eu=1⋅10^-8 торр время осаждения составляет t ≈ 75 с). После этого заслонка ячейки Еu закрывается, гетероструктура охлаждается до комнатной температуры.

Контроль кристаллического состояния поверхности формируемой структуры производится in situ с помощью ДБЭ. На фиг. 1(a) показана картина дифракции от исходной гетероструктуры Графен/SiO₂/Si(001). Размытый тяжевидный рефлекс соответствует дифракции на листе графена. Рефлексы от подложки Si не наблюдаются из-за слоя оксида кремния на поверхности. Картина дифракции, наблюдаемая по завершении процедуры термического удаления слоя оксида кремния из-под графена, приведена на фиг. 1(b). Наряду с рефлексом от графена она содержит точечные рефлексы от кремния. При этом помимо основных кремниевых рефлексов, положение которых соответствует дифракции на поверхности кристалла Si(001) с периодом объемного кремния, наблюдаются промежуточные рефлексы, двукратно уменьшенное расстояние между которыми соответствует реконструированной 2×1 поверхности Si(001). Наличие поверхностной реконструкции подтверждает удаление оксидного слоя. Дифракционная картина, наблюдаемая после осаждения Еu, представлена на фиг. 1(c). Она также представляет собой суперпозицию рефлексов от графена и кремния, однако расстояние между промежуточными рефлексами, соответствующими дифракции на переупорядоченной за счет осаждения Еu поверхности Si(001), иное - в 6 раз меньше расстояния между основными кремниевыми рефлексами, что соответствует формированию ПФ Еu 1×6 на Si(001). Отметим, что нетипичный вид ПФ, не наблюдающийся при осаждении Еu на чистую поверхность Si(001), является свидетельством влияния слоя графена на структуру поверхности.

Предполагаемая атомная модель сформированной в результате гетероструктуры Графен/Eu 1×6/Si(001) представлена на фиг. 2.

Наличие спин-поляризованных носителей в графене в составе структуры, сформированной по описанной процедуре, подтверждается гальваномагнитными измерениями. При низких температурах носители в кремнии вымораживаются, и латеральная проводимость гетероструктуры обеспечивается графеном. При температурах меньше 30 К в магнитном поле, приложенном параллельно току, структура демонстрирует отрицательное магнетосопротивление (фиг. 3(a)), являющееся свидетельством спиновой поляризации носителей заряда в графене.

Другим подтверждением спин-поляризованных носителей заряда является наблюдение аномального эффекта Холла (фиг. 3(b)).

Выход за пределы описанного режима создания гетероструктуры может приводить к деградации графена, формированию из атомов Еu иной структуры, не обеспечивающей наличие спин-поляризованных носителей заряда в графене, окислению сформированной гетероструктуры на воздухе.

Таким образом, изобретение позволяет осуществлять синтез структур Графен/Eu 1×6/Si(001). Эти структуры:

- демонстрируют наличие спин-поляризованных носителей заряда в графене;

- являются сверхтонкими;

- устойчивы к окислению.

Такие структуры могут быть востребованы в качестве функциональных элементов при создании перспективных сверхкомпактных устройств спинтроники.

Изобретение относится к способам формирования гетероструктур, а именно графеновых структур, демонстрирующих спиновую поляризацию носителей заряда, которые могут быть использованы при создании сверхкомпактных спинтронных устройств. Техническим результатом является предельное уменьшение толщины функциональных графеновых структур со спин-поляризованными носителями заряда с сохранением устойчивости к окислению. Для его достижения предложен способ создания устойчивых к окислению сверхтонких графеновых структур со спин-поляризованными носителями заряда, заключающийся в том, что методом молекулярно-лучевой эпитаксии путем осаждения Eu формируют поверхностную фазу Eu, представляющую собой субмонослойную периодическую структуру из атомов Eu, при этом, осаждение Eu производят на предварительно сформированную гетероструктуру Графен/SiO₂/Si(001), в которой слой оксида кремния удаляют из-под графена путем отжига гетероструктуры при температуре T_s=950±20°С, при этом поверхностную фазу Eu 1×6 формируют под графеном на поверхности подложки Si(001) путем открытия заслонки ячейки Eu, обеспечивающего осаждение атомов Eu при давлении P_Eu=(0,3÷10)⋅10^-8 торр потока атомов Eu на гетероструктуру, поддерживаемую при температуре T_s=700±20°С, в течение времени, необходимого для формирования поверхностной фазы, после чего заслонку ячейки Eu закрывают, и гетероструктуру охлаждают до комнатной температуры. 3 ил.

Способ создания устойчивых к окислению сверхтонких графеновых структур со спин-поляризованными носителями заряда, заключающийся в том, что методом молекулярно-лучевой эпитаксии путем осаждения Eu формируют поверхностную фазу Eu, представляющую собой субмонослойную периодическую структуру из атомов Eu, отличающийся тем, что осаждение Eu производят на предварительно сформированную гетероструктуру Графен/SiO₂/Si(001), в которой слой оксида кремния удаляют из-под графена путем отжига гетероструктуры при температуре T_s=950±20°С, при этом поверхностную фазу Eu 1×6 формируют под графеном на поверхности подложки Si(001) путем открытия заслонки ячейки Eu, обеспечивающего осаждение атомов Eu при давлении P_Eu=(0,3÷10)⋅10^-8 торр потока атомов Eu на гетероструктуру, поддерживаемую при температуре T_s=700±20°С, в течение времени, необходимого для формирования поверхностной фазы, после чего заслонку ячейки Eu закрывают, и гетероструктуру охлаждают до комнатной температуры.