[发明专利]巨自旋霍尔角合金材料及其制备方法和用途

说明书

本发明涉及通信领域，公开了一种巨自旋霍尔角合金材料及其制备方法和用途，包括：巨自旋霍尔角合金材料包括：5d重金属‑锆合金薄膜，其中所述锆元素组分为0.01‑0.5；以及在5d重金属‑锆合金薄膜上的软磁薄膜层。本发明可实现通过5d重金属‑锆合金薄膜较对应的单质5d重金属薄膜的室温下的自旋霍尔角度显著增加(最大200％以上)，室温自旋扩散长度减小，本发明相比单质5d重金属材料的自旋霍尔效应，自旋流的产生效率增加了，同时降低了材料成本。

技术领域

本发明涉及自旋电子新材料技术领域，具体是指一种巨自旋霍尔角合金材料及其制备方法和用途。

背景技术

随着信息技术的高速发展，传统的电子器件由于存在电流焦耳热，电子器件的小型化和低功耗面领着严峻的瓶颈。电子自旋是电子除电荷之外的另一个属性，可被用来传输和处理信息，即诞生了自旋电子学(Spintronics)。自旋电子传输信息具有极低的功耗，甚至可以完成量子信息的处理和存储，是构建量子信息芯片的理想媒质。自旋霍尔效应(Spin Hall Effect)是在自旋轨道耦合作用下，施加横向电流作用下产生纵向的自旋流的效应，自旋流可以不伴随着电荷的移动，实现无耗散过程，使得样品不产生焦耳热。相反地，逆自旋霍尔效应(Inverse Spin Hall Effect)是指自旋流转换为电流的过程，可以用来测试自旋流的大小。自旋霍尔效应的强弱体现为电流与自旋流转换效率的大小，这个转换效率人们用自旋霍尔角(θ_SH)表示。

当前，自旋霍尔效应研究通常在“磁性/非磁性5d重金属”异质结体系，然而单一的非磁性5d重金属的自旋霍尔效应都较弱，最常用的5d重金属铂(Pt)自旋霍尔角在0.15左右，通过合金化或者掺杂的5d重金属材料的自旋霍尔角将显著提升，例如铜铋(CuBi)合金低温下自旋霍尔角可达0.24，铋铂(BiPt)合金室温下自旋霍尔角可达0.23，β-W掺杂少量氧自旋霍尔角可达-0.45等。然而，现有合金材料都无法满足获得更强的自旋霍尔效应，人们在拓扑绝缘体(Bi2Se3)和拓扑半金属材料(TaAs，W3Ta等)中获得了大于1的自旋霍尔角，但是拓扑材料生长工艺十分昂贵，难以量产，通常需要超高真空的分子束外延系统或者高温制备小面积单晶材料，尚无法实现磁控溅射的大面积制备和应用。通常，5d重金属合金作为缓冲层在MRAM器件中应用，需要兼具优异的温度稳定性和自旋轨道力矩效应，当前的5d重金属合金材料主要考虑自旋轨道耦合引起的电荷流与自旋流的转换(自旋霍尔效应)，没有利用轨道霍尔效应去增强材料的自旋霍尔角。

因此，我们迫切需要一种巨自旋霍尔角合金材料及其制备方法和用途。

发明内容

本发明的一个方面在于提供一种巨自旋霍尔角合金材料，能够利用轨道霍尔效应维度去增强材料的自旋霍尔角。

本发明的另一方面还提供巨自旋霍尔角合金材料的制备方法和用途。

根据一示例性实施例，提供一种巨自旋霍尔角合金材料，巨自旋霍尔角合金材料包括：5d重金属-锆合金薄膜，其中所述锆元素组分为0.01-0.5；以及在5d重金属-锆合金薄膜上的软磁薄膜层。

在一些示例中，软磁薄膜层包括但不限于钴铁、镍铁以及钴铁硼中的一种或多种。

在一些示例中，5d重金属-锆合金薄膜的厚度为1-20nm。

在一些示例中，软磁薄膜层的厚度为1-10nm。

根据另一示例性实施例，提供一种巨自旋霍尔角合金材料的制备方法，包括：在纳米级平整表面的基片上基于物理气相沉积技术生长5d重金属-锆合金薄膜；在5d重金属-锆合金薄膜上基于物理气相沉积技术生长软磁薄膜层。

在一些示例中，基片需要丙酮、酒精以及去离子水中的一种或多种清洗。

在一些示例中，基片为半导体、绝缘体以及金属基片中的一种或多种。

在一些示例中，物理气相沉积技术采用磁控溅射设备实施。