[发明专利]一种电场调控的二维自旋电子器件及其制备方法

说明书

一种电场调控的二维自旋电子器件及其制备方法，涉及自旋电流的产生和极化率的电场调控。器件结构包括第一BN二维材料/掺杂铁磁金属的III‑VI族硫属化物二维材料/第二BN二维材料的三明治结构、与第一BN二维材料和第二BN二维材料连接的透明电极，以及与III‑VI族硫属化物二维材料连接的沟道电极。铁磁金属掺杂在III‑VI族硫属化物二维材料的晶格替位或间隙位，使III‑VI族硫属化物二维材料的电子出现自旋极化；自旋极化的电子在入射激光激发下经由沟道回路产生自旋电流，通过外加垂直电场调节掺杂铁磁金属的III‑VI族硫属化物二维材料的磁结构在铁磁耦合与反铁磁耦合之间转变，从而可在0～100％范围内调控自旋电流的极化率，构成极化率电可控的二维自旋电子器件。

技术领域

本发明涉及自旋电子器件及其制备方法，尤其是一种电场调控的掺杂铁磁金属的III-VI族硫属化物二维材料的自旋电子器件及其制备方法。

背景技术

自旋电子学利用电子自旋而非传统的电子电荷为基础，探讨研发新一代电子产品的可能性。自旋电子器件具有非易失、数据处理速度快、集成密度高和低功耗等方面的优势等，成为电子器件的一个发展趋势。产生自旋电流的方法主要有基于自旋霍尔效应的电注入法，利用铁磁电极的侧向非局域几何注入法和利用偏振光照射的光注入法：(1)基于自旋霍尔效应的电注入法。自旋霍尔效应提供了一种方便有效的产生自旋电流的方法，当系统加上一个外电场时，由于自旋轨道耦合作用，一个顺磁体系可以产生垂直于电场的自旋电流；(2)利用铁磁电极的侧向非局域几何注入法。通过铁磁金属作为电极，与半导体材料的界面接触引入极化电子，在电场的驱动下将铁磁金属中的自旋极化电流引入到半导体材料中。由于铁磁金属与半导体的电阻失配率较高，以及铁磁金属本身自旋极化率较低，导致注入的效率较低。(3)利用偏振光注入法。用一束圆偏振光照射到半导体上，从价带激发电子到导带，由于空穴与电子之间的跃迁选择定则，使不同自旋取向的电子以不同概率跃迁，使导带上形成自旋极化的电子。虽然光学方法在高速调制方面优于电学方法，但上述偏振光注入法仍存在室温下自旋极化率不高等弊端。制造与自旋有关的电子器件，最关键的问题仍是需要强磁场或低温下产生自旋电流。

发明内容

本发明鉴于自旋电子器件的设计需求及极化率的调控问题，提出一种基于掺杂铁磁金属的III-VI族硫属化物二维材料的电场调控的二维自旋电子器件及其制备方法，该器件采用电学调控的方式，可解决需要强磁场或低温条件下产生自旋电流的问题。

一种电场调控的二维自旋电子器件，包括第一BN二维材料/掺杂铁磁金属的III-VI族硫属化物二维材料/第二BN二维材料的三明治结构、分别与第一BN二维材料和第二BN二维材料连接的第一透明电极和第二透明电极，以及与掺杂铁磁金属的III-VI族硫属化物二维材料连接的沟道电极；所述掺杂铁磁金属的III-VI族硫属化物二维材料是在III-VI族硫属化物二维材料的晶格替位或间隙位掺杂铁磁金属以实现电子自旋极化。

可选的，所述第一BN二维材料和第二BN二维材料的厚度为1～5分子层。

可选的，所述第一透明电极和第二透明电极材料同时为石墨烯二维材料、ITO、AZO中的一种。

可选的，所述掺杂铁磁金属的III-VI族硫属化物二维材料的厚度为从单分子层到小于10nm。

可选的，所述掺杂铁磁金属的III-VI族硫属化物二维材料化学式为M_1-zT_zX，其中M＝Ga、In，X＝S、Se，T＝Fe、Co、Ni中的一种或几种或它们的合金，其中0.10>z>0。

可选的，所述沟道电极材料为石墨烯二维材料、Au、Ti/Au、Ni/Au、Cr/Au中的一种。

可选的，所述掺杂铁磁金属的III-VI族硫属化物二维材料其中铁磁金属掺杂量小于10％。