[发明专利]一种垂直型-异域有机自旋电子器件的制备工艺和应用

说明书

本发明公开了一种垂直型‑异域有机自旋电子器件的制备工艺和应用，属于自旋电子学领域，本发明结合了横向器件与纵向器件的优点，一方面通过横向注入自旋极化电流，自旋极化电流横向注入有机材料，避免垂直结构电学短路问题；另一方面纵向探测电子自旋，自旋扩散通道长度即为薄膜厚度，采用楔形有机薄膜，实现自旋扩散通道长度的纳米级连续可调，通过外加电场和磁场，多模式实现有机物中电子自旋的操控和利用。本发明垂直型‑异域有机自旋电子器件，可用于操控自旋扩散长度在纳米量级的材料中的电子自旋，在同一器件中多模式实现电子自旋的操控，能够实现有机自旋阀的磁阻效应、non‑local磁阻效应、自旋Hanle效应。

技术领域

本发明属于自旋电子学领域，涉及一种垂直型-异域有机自旋电子器件的制备工艺和应用。

背景技术

自旋电子学研究对电子自旋的操控和利用，赋予传统电子器件和光电子器件新的功能。自旋电子器件与微电子器件相比，具有反应速度快、存储密度大、能耗小、非易失性等特点。有机物弱的自旋-轨道耦合和π电子抑制的核自旋超精细作用，自旋弛豫时间长，加上制备容易、生产成本低，是未来自旋电子器件实现广泛应用的重要材料。目前，有机自旋电子学的原理型器件主要是垂直结构有机自旋阀，由上、下磁电极和中间非磁有机层组成，通过外加磁场使上下磁电极磁矩平行或反平行排列，实现低电阻态和高电阻态。然而，由于有机层与上磁电极的界面扩散问题，自旋阀磁阻的机理一直存在争议，加上传统non-local(异域)器件与Hanle(汉勒)器件在有机物电子自旋操控方面一直没有突破，国内外学者一直致力于开发新型原型器件，实现有机物中电子自旋的操控和利用。

自旋电子学研究的原型器件主要有自旋阀、隧穿结、non-local器件。虽然有机物的自旋弛豫时间长，但由于载流子迁移率低，电子自旋扩散长度通常在纳米量级。为实现电子自旋的有效操控和利用，自旋扩散通道的长度应小于材料的自旋扩散长度。垂直结构自旋阀和隧穿结是目前已实现有机物中电子自旋操控的原型器件。由于有机/无机界面互扩散问题，有机层的厚度不可控，垂直结构自旋阀中电子自旋扩散通道的有效长度不可控，器件重复率低，机理存在争议；隧穿结器件需辅以绝缘隔离层，界面复杂，机理不清。而横向自旋阀与non-local器件，平行电极的制备依赖于微纳加工技术的发展，虽然在部分自旋扩散长度在微米量级的二维材料和无机半导体中实现了电子自旋的操控，但在有机物中尚未有突破。

发明内容

针对传统自旋电子器件的不足，本发明的目的在于提供一种垂直型-异域有机自旋电子器件的制备工艺和应用。

本发明提供一种垂直型-异域有机自旋电子器件的制备工艺，包括以下步骤：

(1)在衬底上外延生长单晶La_0.67Sr_0.33MnO₃(LSMO)薄膜，并光学刻蚀成LSMO条形电极；

(2)在LSMO条形电极附近光学套刻Au条形电极，所述Au条形电极与LSMO条形电极平行排列于衬底上；

(3)采用超高真空热蒸发工艺，利用物理掩模沿LSMO条形电极方向生长厚度呈梯度变化的楔形有机薄膜；

(4)采用超高真空热蒸发工艺，利用物理掩模在楔形有机薄膜上方，沿垂直于LSMO条形电极方向生长Co条形电极，并在Co条形电极表面生长保护层，得到所述垂直型-异域有机自旋电子器件。

作为优选，步骤(1)中，采用PLD外延生长单晶LSMO薄膜，LSMO薄膜的厚度为30nm，经光刻后，LSMO条形电极的宽度为20～200μm。

作为优选，步骤(2)中，Au条形电极位于LSMO条形电极的两侧，Au条形电极的厚度为30nm，宽度为50～200μm。

作为优选，步骤(3)中，楔形有机薄膜的厚度为10～100nm，其厚度为连续变化，最薄处为10nm，最厚处为100nm。