一種基于石墨烯納米帶的自旋閥及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于石墨烯納米帶的自旋閥及其制備方法。本發(fā)明采用石墨烯作為溝道材料，采用氫等離子體刻蝕，控制石墨烯寬度方向減小形成石墨烯納米帶，并氫化邊緣碳原子；采用氧等離子體刻蝕，控制石墨烯寬度方向減小形成石墨烯納米帶，并氧化邊緣碳原子，從而得到石墨烯納米帶的功能器件。理論計算表明制備的器件具有自旋閥的效果，可以應(yīng)用于自旋存儲器中。
【專利說明】—種基于石墨烯納米帶的自旋閥及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體器件【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于石墨烯納米帶的自旋閥及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)在的微電子器件由于尺寸不斷的縮小，最終將由于量子效應(yīng)的限制而影響進一步的發(fā)展。人們不斷的探索包括新材料在內(nèi)的各種可能的解決方案。傳統(tǒng)的微電子器件僅僅利用載流子的電荷屬性，而作為新興研究方向的自旋電子學(xué)同時利用了電子的自旋屬性，將信息的傳輸和存儲結(jié)合起來，有利于器件的高密度集成，可以進一步降低能耗，提高速度。
[0003]自旋器件的研究者一直以來都在尋找一種能夠在室溫下調(diào)節(jié)電學(xué)性能并輸運自旋電子的材料。石墨烯正是具有這種性質(zhì)的重要材料，它由單層原子厚度的蜂窩狀碳原子組成，在室溫下具有很長的自旋擴散長度，神奇的狄拉克能帶結(jié)構(gòu)(導(dǎo)致石墨烯納米帶具有磁性邊緣態(tài))，由于較弱的自旋-軌道和超精細(xì)互相作用使得自旋壽命非常長。
[0004]本發(fā)明通過表面功能化處理，電學(xué)控制，制備得到基于石墨烯納米帶的自旋閥，該石墨烯自旋器件可以超越硅基集成電路在數(shù)據(jù)密集型器件上應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種性能優(yōu)良、工藝簡單的基于石墨烯納米帶的自旋閥及其制備方法。
[0006]本發(fā)明提供的基于石墨烯納米帶的自旋閥，采用功能化邊緣碳原子的石墨烯納米帶作為自旋輸運溝道。具體來說:
采用石墨烯作為溝道材料；
采用氫等離子體刻蝕，控制石墨烯寬度方向減小形成石墨烯納米帶，并氫化邊緣碳原
子;
采用氧等離子體刻蝕，控制石墨烯寬度方向減小形成石墨烯納米帶，并氧化邊緣碳原
子;
本發(fā)明還提供了上述基于石墨烯納米帶的自旋閥制備方法，具體步驟為:
(1)清洗高摻雜硅基襯底；清洗可采用RCA標(biāo)準(zhǔn)清洗工藝；
(2)在硅基襯底上生長一層二氧化硅；
(3)在硅基襯底和生長的二氧化硅上轉(zhuǎn)移上石墨烯；
(4)在上述步驟形成的結(jié)構(gòu)上，采用電子束光刻技術(shù)形成第一層光刻膠掩膜版；
(5)之后采用氫等離子刻蝕方法，使得未被光刻膠遮擋的地方的石墨烯被刻蝕掉，邊緣的碳原子被氫化；
(6)之后采用電子束光刻技術(shù)，形成第二層光刻膠掩膜版；
(7)之后采用氧等離子刻蝕方法，使得未被光刻膠遮擋的地方的石墨烯被刻蝕掉，邊緣的碳原子與氧官能團結(jié)合；
(8)最后，在氫化的碳原子區(qū)域淀積磁性電極。
[0007]步驟(5)所述的刻蝕方法是采用氫等離子體刻蝕的方法使得邊緣碳原子氫化，并控制覽度。
[0008]步驟(7)所述刻蝕方法是采用氧等離子體刻蝕的方法使得邊緣碳原子氧化，并控制覽度。
[0009]本發(fā)明中，載流子輸運的溝道區(qū)域的石墨烯邊緣碳原子被氧化，源漏電極區(qū)域的石墨烯邊緣碳原子被氫化。
[0010]步驟(8)所述淀積磁性電極,包括Ni/Fe, Ni/Co等材料。
[0011]基于第一性原理和非平衡格林函數(shù)的計算發(fā)現(xiàn)，與邊緣碳原子結(jié)合的氧原子能夠顯著地影響中心散射區(qū)的電子分布。當(dāng)源漏兩邊電極的磁場使得與氫原子結(jié)合的邊緣碳原子磁場方向相同時，對于自旋向下的電子，η-軌道電子能夠交疊形成輸運通道，其形成的電流明顯增大。而對于磁場方向相反時，自旋向下的電子由于能帶選擇的原因，不能進行有效的輸運，所以電流很小。這樣，通過不同的電極磁場，能夠控制通過石墨烯納米帶的電流大小，形成高阻態(tài)和低阻態(tài)。
[0012]本發(fā)明通過使用電子束直寫光刻技術(shù)做掩膜版，氧等離子體刻蝕，氫等離子體刻蝕控制石墨烯納米帶的長寬以及功能化邊緣碳原子，從而得到石墨烯納米帶的功能器件，理論計算表明制備的器件具有自旋閥的效果，可以應(yīng)用于自旋存儲器中。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1是本發(fā)明基于石墨烯納米帶的自旋閥。
[0014]圖2是本發(fā)明自旋閥門特性的特征曲線。
[0015]圖3?圖5是圖1所示基于石墨烯納米帶的自旋閥制備過程圖示。
【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖與【具體實施方式】作進一步詳細(xì)的說明，在圖中，為了方便說明，放大和縮小了層和區(qū)域的厚度，所示大小并不代表實際尺寸，相同的附圖標(biāo)記表示相同的組件，對其重復(fù)描述將省略。
[0017]實施圖1基于石墨烯納米帶的自旋閥的磁阻檢測。
[0018]圖2的以高摻雜P型硅，300納米二氧化硅為襯底，石墨烯納米帶為溝道，Ni/Fe作為源漏電極的自旋閥器件的磁阻檢測。通過控制外加磁場改變兩邊的電極上方的磁場方向，一種是兩電極上方磁場方向相同，另外一種是兩電極磁場方向相反。再加上兩電極之間的電壓，檢測溝道中的電流大小，得到磁阻窗口曲線?？梢钥吹交谑┘{米帶器件具有良好的磁阻窗口。
[0019]實施圖2的的自旋閥器件的制備。
[0020]結(jié)構(gòu)包括高摻雜P型硅襯底301，300納米厚度的二氧化硅介質(zhì)層302，邊緣碳原子氫化的石墨烯納米帶303,邊緣碳原子氧化的石墨烯納米帶304,磁性電極305。自旋閥的制備過程如下:
I)以高摻雜P型硅301作為襯底，熱氧化生長300納米厚度左右二氧化硅介質(zhì)層302 ； 2)轉(zhuǎn)移上石墨烯片；
3)利用利用電子束光刻定義掩膜版編號一，作為保護溝道和部分電極區(qū)域石墨烯片；
4)利用氫等離子體刻蝕，形成氫功能化邊緣原子的石墨烯納米帶電極部分303；
5)利用電子束光刻定義掩膜版編號二，作為包括已經(jīng)形成的電極部分石墨烯納米帶和溝道區(qū)域的石墨烯；
6)利用氧等離子體刻蝕，形成氧官能團功能化邊緣原子的石墨烯納米帶中心輸運區(qū)
304 ；
7)采用物理氣相淀積形成Ni/Fe磁性電極305。
[0021]以上結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作了說明，但是這些說明不能被理解為限制了本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的保護范圍由隨附的權(quán)利要求書限定，任何在本發(fā)明權(quán)利要求基礎(chǔ)上的改動都是本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種基于石墨烯納米帶的自旋閥，其特征在于采用功能化邊緣碳原子的石墨烯納米帶作為自旋輸運溝道。
2.一種如權(quán)利要求1所述的基于石墨烯納米帶的自旋閥的制備方法，其特征在于具體步驟為: (1)清洗高摻雜硅基襯底； (2)在硅基襯底上生長一層二氧化硅； (3)在硅基襯底和生長的二氧化硅上轉(zhuǎn)移上石墨烯； (4)在上述步驟形成的結(jié)構(gòu)上，采用電子束光刻技術(shù)形成第一層光刻膠掩膜版； (5)之后采用氫等離子刻蝕方法，使得未被光刻膠遮擋的地方的石墨烯被刻蝕掉，邊緣的碳原子被氫化； (6)之后采用電子束光刻技術(shù)，形成第二層光刻膠掩膜版； (7)之后采用氧等離子刻蝕方法，使得未被光刻膠遮擋的地方的石墨烯被刻蝕掉，邊緣的碳原子與氧官能團結(jié)合； (8)最后，在氫化的碳原子區(qū)域淀積磁性電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的制備方法，其特征在于，步驟(8)所述磁性電極的材料為Ni/Fe 或 Ni/Co。
【文檔編號】B82Y30/00GK103490007SQ201310449102
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年9月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月28日
【發(fā)明者】孫清清, 王魯浩, 王鵬飛, 張衛(wèi), 周鵬 申請人:復(fù)旦大學(xué)