СПОСОБ СОЗДАНИЯ СВЕРХТОНКИХ ГРАФЕНОВЫХ СТРУКТУР С ВЫСОКОЙ ПОДВИЖНОСТЬЮ СПИН-ПОЛЯРИЗОВАННЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА Российский патент 2025 года по МПК H01L21/20 

Область техники

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

Уровень техники

Графен рассматривается как перспективный материал для создания спинтронных устройств: он демонстрирует слабое спин-орбитальное взаимодействие, большие длины спиновой диффузии при комнатной температуре, высокую подвижность носителей заряда, возможность изменения концентрации носителей заряда под действием электрического поля. Предельно малая толщина графена (1 монослой, ~4Ǻ) позволяет обеспечить сверхкомпактность спинтронных устройств.

Разработка гетероструктур на основе графена имеет ряд ограничений, связанных с нарушением его электронной структуры. Известно, что подвижность носителей в графене значительным образом зависит от подложки, на которую графен перенесен, возрастая в сотни раз в случае свободно подвешенного графена без связи с подложкой. В частности, при переносе графена на поверхность диоксида кремния снижаются подвижность носителей заряда и длина спиновой релаксации в связи с шероховатостью поверхности и связанными поверхностными зарядами.

Кроме того, графен немагнитен. Создание спиновой поляризации носителей в графене осуществляется главным образом за счет эффекта близости с магнитным материалом, интеграция с которым в свою очередь может значительно повлиять на подвижность носителей заряда в графене. Таким образом, разработка новых спинтронных устройств на основе графена требует тщательного подбора материалов и процессов интеграции графена в гетероструктуру, не приводящих к утере его основных преимуществ в качестве канала проводимости устройств спиновой электроники.

Магнитный материал на основе графена должен демонстрировать спиновую поляризацию и высокую подвижность носителей заряда, обладать стойкостью к воздействию атмосферы и компактностью. Существенной считается возможность интеграции материала с кремниевой платформой.

Вышеперечисленные характеристики были по отдельности достигнуты и описаны в ряде патентов, наиболее релевантные из которых рассмотрены ниже. Тем не менее, задача сохранения электронных свойств графена в устойчивых к деградации тонких структурах со спиновой поляризацией носителей до настоящего времени решена не была.

Известно изобретение «Графеновое устройство, способное осуществлять спиновую поляризацию, и метод его создания» «Graphene device capable of realizing spin polarization and preparation method thereof» (CN 106449968 А), в котором спиновая поляризация носителей в графене достигается за счет близости графенового листа со слоем ферромагнитного изолятора. Известны изобретения «Графеновый спиновый фильтр» (RU 2585404 С1), «Наноустройства для спинтроники и методы их использования» «Nanodevices for spintronics and methods of using same» (US 8378329 B2), 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 этой работе спиновая поляризация носителей достигалась за счет интеграции графена с пленкой железо-иттриевого граната. Недостатками вышеперечисленных изобретений является невозможность создания сверхтонких структур.

Известно изобретение «Способ получения спин-поляризованных носителей заряда в графене» (RU 2697517 С1), 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 Eu, представляющего собой поверхностную фазу Eu. Недостатком этого изобретения является необходимость осаждения защитного слоя, например, оксида кремния, предотвращающего окисление европия и деградацию структуры на воздухе, что увеличивает толщину конечной структуры и сужает область ее применения.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является «Способ создания устойчивых к окислению сверхтонких графеновых структур со спин-поляризованными носителями заряда» (RU 2805282 С1), в котором спиновая поляризация носителей заряда в графене достигается путем формирования методом молекулярно-лучевой эпитаксии поверхностной фазы Eu 1×6 под графеном на поверхности подложки Si(001). Недостатком этого способа является ухудшение транспортных свойств графена, выражающееся в низкой (~1000 см²⋅В^-1⋅с^-1) относительно исходной структуры (1500+2000 см²⋅В^-1⋅с^-1) подвижности носителей заряда в графене, что сужает область применения конечной структуры в наноэлектронике.

Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение быстродействия устройств спиновой электроники на основе графена.

Раскрытие сущности изобретения

Техническим результатом настоящего изобретения является достижение высокой относительно прототипа подвижности спин-поляризованных носителей заряда в функциональных графеновых структурах.

Для достижения технического результата предложен способ создания сверхтонких графеновых структур с высокой (2500+3000 см²⋅В^-1⋅с^-1) подвижностью спин-поляризованных носителей заряда, заключающийся в том, что методом молекулярно-лучевой эпитаксии путем осаждения атомов металла на гетероструктуру Графен/SiO₂/Si(001), в которой слой оксида кремния предварительно удаляют из-под графена путем отжига гетероструктуры при температуре T_s=950±20°С, под графеном на поверхности подложки Si(001) формируют поверхностную фазу, представляющую собой субмонослойную периодическую структуру из атомов металла, отличающийся тем, что в качестве поверхностной фазы выступает Gd 1×4, и ее формирование производят путем открытия заслонки ячейки Gd, обеспечивающего осаждение атомов Gd при давлении P_Gd=(0,3÷10)⋅10^-8 Торр потока атомов Gd на гетероструктуру, поддерживаемую при температуре T_s=675±20°С, в течение времени, необходимого для формирования поверхностной фазы, после чего заслонку ячейки Gd закрывают, и гетероструктуру охлаждают до комнатной температуры. 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, формируется путем переноса графена на кремниевую подложку. Одна из возможных методик переноса описана в публикации «Science and technology roadmap for graphene, related two-dimensional crystals, and hybrid systems» (DOI: 10.1039/c4nr01600a). На выращенный на металлической фольге графен наносится слой полиметилметакрилата (ПММА). После чего металлический слой стравливается, полученная структура ПММА/графен переносится на необходимую подложку, а слой ПММА удаляется.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется чертежами:

Фиг. 1а На рисунке представлена картина дифракции быстрых электронов (ДБЭ): гетероструктуры Графен/SiO₂/Si(001).

Фиг. 1б На рисунке представлена картина ДБЭ гетероструктуры Графен/Si(001), демонстрирующей реконструкцию 2×1 поверхности кремния (серые стрелки указывают на рефлексы от реконструированной 2×1 поверхности Si(001)) после удаления слоя оксида кремния. Белыми стрелками отмечено местоположение рефлексов, соответствующих периодичности нереконструированного Si(001).

Фиг. 1в На рисунке представлена картина ДБЭ гетероструктуры Графен/Gd 1×4/Si(001) с осажденным субмонослоем Gd, образовавшим поверхностную фазу (ПФ) 1×4 (серые стрелки указывают на рефлексы от ПФ Gd 1×4). Белыми стрелками отмечено местоположение рефлексов, соответствующих периодичности нереконструированного Si(001).

Фиг. 2а На графике показаны полевые зависимости магнетосопротивления в гетероструктурах Графен/Gd 1×4/Si(001) и Графен/Si(001) при температуре 2K, где магнитное поле приложено перпендикулярно плоскости образца.

Фиг. 26 На графике показаны полевые зависимости магнетосопротивления в гетероструктуре Графен/Gd 1×4/Si(001) при различных температурах, где магнитное поле приложено в плоскости образца перпендикулярно направлению тока.

Фиг. 3а На графике показаны полевые зависимости аномального эффекта Холла при температуре 2K в гетероструктурах Графен/Gd 1×4/Si(001) и Графен/ЭКОСИ); наблюдаются осцилляции Шубникова - де Гааза.

Фиг. 3б На графике показаны полевые зависимости аномального эффекта Холла при температуре 2K в гетероструктурах Графен/Gd 1×4/Si(001) и Графен/Si(001); в полях до 2,5 Т наблюдается гистерезис.

Фиг. 4а На графике показаны осцилляции Шубникова - де Гааза при различных температурах, наблюдаемые в магнетосопротивлении в гетероструктуре Графен/Gd 1×4/Si(001).

Фиг. 4б На графике показана зависимость амплитуды осцилляций Шубникова - де Гааза от температуры и ее приближение исходя из формализма Лифшица - Косевича для двух различных эффективных циклотронных масс носителей заряда.

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 Gd - поверхностной фазы (ПФ) Gd 1×4: температура подложки устанавливается на значение T_s=675±20°С, и происходит открытие заслонки ячейки Gd, нагретой до такой температуры (~1210°С, температура ячейки Gd указана по измерениям с помощью термопары), чтобы обеспечивать давление потока атомов гадолиния P_Gd=(0,3÷10)⋅10^-8 Торр. Ячейка Gd держится открытой в течение времени, необходимого для формирования ПФ (конкретное время осаждения зависит от установленного потока; при давлении потока P_Gd=1⋅10^-8 Торр время осаждения составляет t≈30 с). После этого заслонка ячейки Gd закрывается, гетероструктура охлаждается до комнатной температуры. Контроль кристаллического состояния поверхности формируемой структуры производится in situ с помощью ДБЭ.

На фиг. 1а 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. 1б. 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 Gd, представлена на фиг. 1в. Она также представляет собой суперпозицию рефлексов от графена и кремния, однако расстояние между промежуточными рефлексами, соответствующими дифракции на переупорядоченной за счет осаждения Gd поверхности Si(001), иное - в 4 раза меньше расстояния между основными кремниевыми рефлексами, что соответствует формированию ПФ Gd 1×4 на Si(001).

Достижение желаемых транспортных характеристик 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. Наличие спиновой поляризации носителей заряда подтверждается наблюдением аномального эффекта Холла (фиг. 3б). Отрицательное линейное магнетосопротивление (фиг. 2б), наблюдаемое при температурах ниже температуры магнитного перехода в магнитном поле, лежащем в плоскости образца и приложенном перпендикулярно току, является свидетельством сильного взаимодействии носителей заряда в графене с магнитными моментами. Высокая подвижность носителей заряда в графеновой структуре подтверждается наличием квантовых осцилляций, наблюдаемых в магнетосопротивлении (фиг. 2а) и аномальном эффекте Холла (фиг. 3а). Температурная зависимость амплитуды квантовых осцилляций (фиг. 4а и 4б) испытывает значительное изменение наклона при температуре перехода. Приближение экспериментальных данных, исходя из формализма Лифшица - Косевича отдельно для температур ниже и выше температуры перехода, дает значительно различающиеся эффективные циклотронные массы носителей заряда. Выше температуры перехода эффективная масса (m_eff ~ 0.02 m_e) соответствует таковой в чистом графене, что подтверждает сохранение электронной структуры исходного материала. Ниже температуры перехода эффективная масса возрастает в 10 раз (m_eff ~ 0.2 m_e), что отражает сильную связь носителей заряда со спиновыми возбуждениями.

Выход за пределы описанного режима создания гетероструктуры приводит к деградации графена, формированию из атомов Gd иной структуры, не обеспечивающей наличие спин-поляризованных носителей заряда в графене и их высокую подвижность, окислению сформированной гетероструктуры на воздухе.

Таким образом, изобретение позволяет осуществлять синтез структур Графен/Gd 1×4/Si(001). Эти структуры:

- демонстрируют наличие спин-поляризованных носителей заряда в графене;

- являются сверхтонкими;

- устойчивы к окислению.

- обладают высокой (2500÷3000 см²⋅В^-1⋅с^-1) подвижностью носителей заряда, что отражено в Таблице 1.

Синтезированные структуры демонстрируют подвижность носителей заряда в 2,5-3 раза большую, чем структуры, описанные в прототипе. Достигнутая подвижность сравнима с подвижностью носителей заряда в чистом графене, перенесенном на подложки SiO₂/Si(001).

Такие структуры востребованы в качестве функциональных элементов при создании перспективных сверхкомпактных устройств спинтроники. Эффект гистерезиса, обусловленный ферромагнетизмом, предполагает возможность использования данного явления в ячейках памяти.

Изобретение относится к способам формирования гетероструктур. Способ создания сверхтонких графеновых структур с высокой подвижностью спин-поляризованных носителей заряда, заключающийся в том, что методом молекулярно-лучевой эпитаксии путем осаждения атомов металла на гетероструктуру Графен/SiO₂/Si(001), в которой слой оксида кремния предварительно удаляют из-под графена путем отжига гетероструктуры при температуре T_s=950±20°С, под графеном на поверхности подложки Si(001) формируют поверхностную фазу, представляющую собой субмонослойную периодическую структуру из атомов металла. В качестве поверхностной фазы выступает Gd 1×4, и ее формирование производят путем открытия заслонки ячейки Gd, обеспечивающего осаждение атомов Gd при давлении P_Gd=(0,3÷10)⋅10^-8 Торр потока атомов Gd на гетероструктуру, поддерживаемую при температуре T_s=675±20°С, в течение времени, необходимого для формирования поверхностной фазы, после чего заслонку ячейки Gd закрывают и гетероструктуру охлаждают до комнатной температуры, при этом материал, состоящий из графеновой структуры и субмонослойной периодической структуры из атомов металла, выполнен с подвижностью носителей заряда в графеновой структуре 2500÷3000 см²⋅В^-1⋅c^-1. Технический результат - достижение высокой подвижности спин-поляризованных носителей заряда. 1 табл., 9 ил.

Способ создания сверхтонких графеновых структур с высокой подвижностью спин-поляризованных носителей заряда, заключающийся в том, что методом молекулярно-лучевой эпитаксии путем осаждения атомов металла на гетероструктуру Графен/SiO₂/Si(001), в которой слой оксида кремния предварительно удаляют из-под графена путем отжига гетероструктуры при температуре T_s=950±20°С, под графеном на поверхности подложки Si(001) формируют поверхностную фазу, представляющую собой субмонослойную периодическую структуру из атомов металла, отличающийся тем, что в качестве поверхностной фазы выступает Gd 1×4, и ее формирование производят путем открытия заслонки ячейки Gd, обеспечивающего осаждение атомов Gd при давлении P_Gd=(0,3÷10)⋅10^-8 Торр потока атомов Gd на гетероструктуру, поддерживаемую при температуре T_s=675±20°С, в течение времени, необходимого для формирования поверхностной фазы, после чего заслонку ячейки Gd закрывают и гетероструктуру охлаждают до комнатной температуры, при этом материал, состоящий из графеновой структуры и субмонослойной периодической структуры из атомов металла, выполнен с подвижностью носителей заряда в графеновой структуре 2500÷3000 см²⋅В^-1⋅c^-1.