[发明专利]一种可集成有机自旋电子分子器件制备方法及其结构

说明书

本发明公开了一种可集成的自旋电子分子器件制备方法及其结构，涉及自旋电子传递过程研究及磁性分子器件应用领域。自旋电子分子器件为层状结构，自下而上分别为底复合电极层、耦合界面层、功能分子层以及顶复合电极层。为解决自旋电子传递过程研究中影响因素解析困难的问题，本发明提供了复合电极，实现碳‑碳共价耦合的稳定耦合界面，制备流程对于功能分子结构的选择具有普适性，器件性能的磁场响应灵敏。所述分子器件全制备周期条件温和且兼容常规微电子电路制作工艺，器件尺寸可拓展，可实现自旋电子分子器件的集成化应用。

技术领域

本发明涉及自旋电子器件研究领域，特别是涉及一种研究电荷自旋性质传递过程及可集成应用的分子器件制备方法及其结构。

背景技术

电子作为电荷的载体，是电子逻辑电路实现功能化应用的基本调控单元，同时其也具有自旋的内禀量子属性，可用来长时信息存储、磁响应电子传递，为电子电路元件提供了更多的调控机制和设计策略。相对于无机磁性材料，有机分子具有得天独厚的优势，包括：(1)由碳(C)、氢(H)、氧(O)等轻原子构成的有机分子，自旋-轨道耦合较弱，电子自旋相干时间长，便于研究相干电荷传递过程；(2)分子结构多样性和可修饰，满足电荷传递过程研究的控制变量需求，实现自下而上构筑高性能磁响应功能器件。有机磁响应器件将分子作为功能中心，与两侧电极组成的工作单元，作为有机自旋电子学研究中的重要组成部分，具有成本低廉、工艺精简节能、重现性好、磁响应灵敏等优点，是未来低能耗、高效率自旋电子器件的潜在替代方案。

尽管目前已有大量磁响应有机自旋电子分子器件的报道案例，然而对于实现器件功能的电荷传递过程中自旋性质的表达仍存在归因不明确的科学问题，如界面态自旋散射、金属电极原子d轨道-分子轨道杂化诱导自旋极化、分子单-三线态透射率调制等。此外，大多此类分子器件构筑工艺复杂，制备能耗高，如涉及高温热解碳膜、分子薄膜转移等过程，不利于功能器件集成，难以满足作为未来新型电子电路单元产业化应用。

基于此，具有界面明确、分子结构可修饰、高热稳定性、重复性优异的分子器件，方可作为电子自旋输运的研究平台；实现全周期温和条件下构筑有机自旋电子分子器件，可实现晶圆尺寸批量生产，方能为未来基于分子尺度的低成本有机自旋电子器件产业化应用铺平道路。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种有机自旋电子分子器件的制备方法及其结构，旨在解决目前电子自旋输运研究平台的局限性，并为其产业化应用提供可行的设计方法。

为实现上述目的，本发明提供一种有机自旋电子分子器件，所述自旋电子分子器件结构为层状垂直结构，自下而上分别为复合底电极层、耦合界面、有机分子活性层、顶复合电极层，制备方法包括以下步骤：

1)在绝缘衬底上通过但不限于镂空掩模版热蒸镀、金属刻蚀等工艺制备图案化金属电极，在其表面通过常温磁控溅射制备无定形碳膜层，形成底复合电极；

进一步的，金属电极为梳状结构，梳齿宽度为10-300μm，长度为10-100mm，金属电极厚度为10-50nm，齿间距离1-5mm。

进一步的，金属层可采用铜Cu、铝Al、银Ag、金Au等非磁性金属，或铁Fe、钴Co以及镧锶锰氧(LaSrMnO3)磁性材料。

进一步的，磁控溅射气体为氩气(Ar)，溅射气压0.1-3Pa,溅射速率为0.5-1nm/min,无定形碳膜厚度10-20nm.

2)通过重氮盐电化学还原方法在所述底复合电极表面修饰分子，制备共价界面耦合层及功能分子层。将1-3mM苯胺侧基三联吡啶金属配合物分子和乙腈混合，0.1M四氟硼四丁基铵作为电解质，添加15-30当量亚硝酸叔丁酯，形成电化学溶液。将所述底复合电极作为工作电极，将所述工作电极放入电化学溶液中采用循环伏安法，Ag/Ag⁺为参比电极，铂为对电极，实现金属配合物原位重氮化电化学沉积。

进一步的，金属配合物分子中金属阳离子可选用但不限于铁Fe、钴Co、铜Cu、镍Ni等过渡金属离子。