[科普中国]-横向自旋阀

横向自旋阀是自旋电子领域的自旋逻辑器件，该器件的尺寸在纳米级，制作工艺精细且复杂，具有很广阔的发展前景。

概述横向自旋阀是目前最重要的一种自旋器件。本文综述石墨烯作为横向自旋阀沟道材料的研究进展。虽然石墨烯作为横向自旋阀沟道材料的研究的报道已经很多，但是对于其电阻率、自旋寿命、自旋扩散长度、自旋霍尔角、自旋信号以及与其他材料的接触电阻等参数的确定仍有问题。目前实验获得的这些数据差别较大，影响因素尚不清晰。另外理论工作相对缺乏。这些问题将影响石墨烯在自旋电子学中的应用，需要进一步深入研究。

发展背景横向自旋阀的主要材料是石墨烯。石墨烯电阻率极低，即电导率极高(它的电 导率比铜还高)。石墨烯具有高电子迁移率、可调载流子浓度等性质。有优异的导热性，热导率超高。有优异的机械性能，比如，它是一种超硬的材料。第四，相比较其他材料，它的自旋轨道相互作用极其小。这意味着其自旋很少与轨道移动产生相互作用，所以石墨自旋所储藏的信息就能够比其他材料持续更长久。第五，自旋输运方面，其室温自旋寿命很高，理论预测纯石墨烯的自旋寿命在 1 微秒左右，其室温自旋输运相干扩散长度长达数微米，是自旋电子学应用的理想材料。应用方面，利用自旋，石墨烯自旋转移力矩(Spin Transfer Torque ,STT) 的逻辑器件可用于信息处理。基于石墨烯的自旋电子器件已经提出很多。石墨烯横向自旋阀(lateral spin valve，LSV)结构是实现自旋晶体管、自旋磁开关等器件的基础。 这些器件的基础都是自旋电流的操控。包括自旋流产生、自旋流输运、自旋流探测等。1

制备工艺光刻在横向自旋阀的制备工艺中主要被用于制备宽度较为大的电极。其具体的制备工艺步骤如下：

1. 基底清洗：选用覆盖有3000埃氧化硅绝缘衬底的硅片，切至约1cm*1cm大小。首先用丙酮（Acetone）浸没，超声十分钟；用气枪吹干后，再用异丙醇（IPA）浸没，进行第二次超声清洗；气枪吹干后观察表面是否残留污渍。

2. 匀胶：使用匀胶机利用底部真空吸力吸住衬底；取适量光刻胶（一般，我们使用AZ3000）滴于衬底上，并以4000转每分钟的转速旋转1分钟，利用离心力让光刻胶均匀覆盖在衬底表面；随后以100℃的温度烘烤1分钟，去掉光刻胶中多余的溶剂和水分。一般的，我们可以得到1.4微米左右的胶厚。

3. 曝光：利用一台步进式光刻机进行曝光；将衬底定在样品台上，并将光刻版对准衬底（由于是第一步光刻，不需要按照套刻标记进行对准），用波长在320-380nm范围内的紫外光透过光刻版照射衬底6秒钟，光刻正胶的曝光部分即被分解为可以溶解的羧酸等物质。

4. 显影：将曝光完后的片子浸没在AZ3000自带的显影液中，不断轻晃，时间为1分钟；随后将片子放入去离子水中清洗，时间为30秒；最后用气枪吹干。此时，光刻部分已经完成，我们可以得到如下图4-3所示的完成后的电极版图。

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应用意义横向自旋阀是为实现自旋轨道控制的磁开关而研发的，必须寻找具有巨 Rashba 效应或 GSHE 的材料。这 2 个效应分别用 Rashba 系数和自旋霍尔角描述。对于 Rashba 类 型的 SOI，SOT 可等效成一个有效场的力矩。可推导出这个有效场，并证明其与 Rashba 系数成正比，即 SOT 正比于 Rashba 系数。文献[14]指出，提高 Rashba 系数的途径是采用非磁金属组合，如 Bi/Ag， 其 Rashba 系数可达 3×10-9eVm，或者采用铁磁体与重金属的组合。石墨烯的 SOI 比较弱，但在石墨烯表面沉积铜可有效提高其 SOI 强度。

同样，SHT 正比于自旋霍尔角。一般材料的自旋霍尔角都小于 0.1，重金属的自旋霍尔角虽然大，但如前所述，这些金属属于贵重材料，不适合大规模生产。常规金属中只有 CuBi 的自旋霍尔角超过 0.1。

显然，自旋霍尔角这样的参数是材料的标志性参数。如何准确测量这些标志性参数成为实验和理论研究的重要内容。在这方面，逆自旋霍尔效应起到了至关紧要的作用。通过将纯自旋电流注入具有 GSHE 的某种材料，则由于逆自旋 霍尔效应 (inverse SHE，ISHE)，在这种材料的两端会产生一定的直流电压，测量此直流电压可以 获得这种材料的霍尔角。目前关于逆自旋霍尔信号的计算的报道还很少。所以是一个值得深入探 索的问题。 自旋阀结构中的电子输运性质依赖于自由层 F1 和钉扎层 F2 的相对磁化取向。所谓巨磁阻就 是定义为 F1 和 F2 反平行和平行情况下磁阻的 差。在此基础上形成了非共线磁电子学。本文研 究 F1 和 F2 相对磁化取向在平行和反平行之间 时，逆自旋霍尔信号的变化情况。

发展前景在横向自旋阀的制造上提出利用新型的横向磁场热退火工艺来降低自旋阀材料的矫顽力，为高性能的GMR传感器提供了核心材料。其次，系统地研究了自旋阀的单畴模型，运用能量极小的方法计算得到了自旋阀的磁场响应曲线，与实验结果吻合。对基本的单畴模型进行修正得到非平行易磁化轴自旋阀单畴模型和变磁场角自旋阀单畴模型，提出用非平行易磁化轴单畴模型解释横向退火工艺，得到此工艺对自旋阀的影响的经验公式。然后，在单畴模型的指导下，对GMR单条传感器、GMR磁栅尺传感器和GMR线性电桥传感器进行了版图和工艺设计，利用高性能自旋阀薄膜材料，采用三步光刻法和五步光刻法，在半导体工艺线上流水制造出这三种GMR传感器。经过多次流水，传感器成品率高。通过横向退火工艺降低GMR传感器的矫顽力，然后系统地测试了三种传感器的磁场响应和GMR单条传感器的角度响应、均匀性和噪声等性能参数。结果表明，GMR单条传感器和GMR磁栅尺传感器性能良好，而GMR线性电桥传感器线性范围为30.35Oe，灵敏度为1.61mV/Oe-V，线性拟合度为99.952%，达到国际先进水平。最后搭建了弱磁线性检测系统、磁栅尺位移检测系统和生物免疫磁球检测系统三种检测系统，其中磁栅尺位移检测系统已经作为产品投入市场。3

本词条内容贡献者为:

陈红 - 副教授 - 西南大学