基于钴-分子多铁材料的自旋过滤异质结器件及其制备

摘要

本发明涉及一种基于钴‑分子多铁材料的自旋过滤异质结器件及其制备，所述的自旋过滤异质结器件包括分别作为源极和漏极的两个钴电极，构成两个钴电极之间的中间散射区材料薄层的分子多铁材料(NH

说明书

技术领域

本发明涉及自旋电子学器件技术领域，尤其是涉及一种基于钴-分子多铁材料体系的自旋过滤异质结器件及其制备。

背景技术

分子电子学研究的是分子水平上的电子学，其目标是用单个分子、超分子或分子簇代替硅基半导体晶体管等固体电子学元件组装逻辑电路，乃至组装完整的分子计算机。它的研究内容包括各种分子电子器件的合成、性能测试以及如何将它们组装在一起以实现一定的逻辑功能。同传统的固体电子学相比，分子电子学有着强大的优势。现行的微电子加工工艺在10年以后将接近发展的极限,线宽的不断缩小将使得固体电子器件不再遵从传统的运行规律；同时,线宽缩小也使得加工成本不断增加。分子电子学有望解决这些问题.在奔腾电脑芯片中1cm²的面积上可以集成107～108个电子元件,而分子电子学允许在同样大小的面积上集成1014个单分子电子元件，集成度的提高将使运算速度极大的提高。同时，由于分子电子学采用自下而上的方式组装逻辑电路,所使用的元件是通过化学反应大批量合成的，所以生产成本与传统的光刻方法相比将大大缩减.

分子电子学和自旋电子学两者结合起来产生一门新的学科将会集合分子电子学和自旋电子学各自的优点而具有更大的优势。这个新的交叉学科叫做分子自旋电子学(molecular spintronics).从基本原理和技术角度讲，操纵有机分子材料电子自旋的能力为自旋电子学的研究提供了新的便捷路线。这是由于有机分子有着非常弱的自旋轨道耦合和超精细相互作用(hyperfine interaction)的优势，这种优势可以使自旋相干(spincoherence)时间和距离要比传统的金属和半导体要长的多。改变电子的自旋状态所需的能量仅仅是推动电子运动所需能量的千分之一，显而易见，自旋电子学器件所耗能量与传统硅基半导体电子学相比微乎其微。目前,为了抢夺未来科技的制高点,许多发达国家都制定了发展纳米电子学和分子电子学的专项计划,投入了巨大的人力物力,同时也取得了一系列的突破。2001年12月21日,美国《科学》杂志将分子电子学所取得的一系列成就评为2001年十大科技进展之首。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于钴-分子多铁材料的自旋过滤异质结器件及其制备，能够在实现由分子多铁材料(NH₄)₃Cr₂O₈在钴电极的连接下，由于分子多铁材料(NH₄)₃Cr₂O₈的磁性中心铬离子(Cr⁵⁺)的3d轨道之间自旋相互作用，其氧原子表面与钴电极(Co)表面态之间耦合，导致该分子多铁异质结出现自旋过滤效应，该分子多铁隧道结有望用于制备高性能分子自旋电子学晶体器件。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于钴-分子多铁材料的自旋过滤异质结器件，包括分别作为源极和漏极的两个钴电极，构成两个钴电极之间的中间散射区材料薄层的分子多铁材料(NH₄)₃Cr₂O₈，以及连接分子多铁材料(NH₄)₃Cr₂O₈两边的栅极，所述的两个钴电极均为金属材料钴形成的薄层。

作为上述方案的优选，所述的两个钴电极、分子多铁材料(NH₄)₃Cr₂O₈沿z轴方向按“钴电极-分子多铁材料(NH₄)₃Cr₂O₈-钴电极”的方式周期性排列，并构成三维周期性结构的自旋过滤异质结器件，其中，所述分子多铁材料(NH₄)₃Cr₂O₈与两钴电极之间的连线垂直，并与所述源极和漏极接触。

作为上述优选方案的更优选，所述的分子多铁材料(NH₄)₃Cr₂O₈沿z轴方向的厚度为纳米量级。

作为上述方案的优选，所述的自旋过滤异质结器件的自旋过滤效应，是利用所述分子多铁材料(NH₄)₃Cr₂O₈的磁性中心钴离子之间的磁电耦合相互作用，使分子多铁材料的氧表面与钴电极表面态之间杂化作用而形成独特的自旋过滤效应。

基于钴-分子多铁材料的自旋过滤异质结器件的制备方法，包括以下步骤：

(1)利用钴表面作为自旋过滤异质结器件的源极和漏极；

(2)将构成源极与漏极之间的中间散射区的分子多铁材料(NH₄)₃Cr₂O₈的氧表面，与两钴电极接触，形成氧化层；

(3)将两个钴电极和分子多铁材料(NH₄)₃Cr₂O₈按形成“三明治夹层结构”的“钴电极-分子多铁材料(NH₄)₃Cr₂O₈-钴电极”的方式周期性排列，制成双电极体系的自旋极化电输运系统；

(4)在自旋极化电输运系统的分子多铁材料(NH₄)₃Cr₂O₈的两边留出制作栅极的孔洞，并在孔洞中制作栅极，即得到所述基于钴-分子多铁材料的自旋过滤异质结器件。

作为上述方案的优选，所述的两个钴电极与中间散射区分子多铁材料(NH₄)₃Cr₂O₈形成的厚度在纳米量级。

本发明采用磁性材料钴原子作为左右电极，中间采用分子多铁材料(NH₄)₃Cr₂O₈作为隧穿区域，电极和隧穿区域沿着z轴方向依次排列，构成三维结构。在该双电极自旋极化电输运系统中，分子多铁材料(NH₄)₃Cr₂O₈的氧表面与左右钴电极之间相互接触。由于分子多铁材料(NH₄)₃Cr₂O₈的磁性中心铬离子(Cr⁵⁺)的3d轨道之间自旋相互作用，该分子多铁材料的氧原子于钴原子构成的电极表面之间的耦合杂化而形成了有趣的自旋过滤效应。其中，中间散射区的长度保持在纳米量级。所述的左、右钴电极和分子多铁材料(NH₄)₃Cr₂O₈在x轴和y轴方向满足三维周期性结构。

与现有技术相比，本发明提供的一种基于钴-分子多铁材料的自旋过滤异质结器件，工作条件处于室温，易于制备。由于分子多铁材料(NH₄)₃Cr₂O₈包含顺磁中心铬离子(Cr⁵⁺)，该分子间相邻的Cr⁵⁺存在着磁性交换作用，通过该分子多铁材料的氧表面和钴电极相结合，可以形成双电极三明治结构的自旋极化输运系统。该电输运系统长度在纳米量级范围。由于分子多铁材料(NH₄)₃Cr₂O₈是一种三维周期性结构，它处于磁性金属钴电极之间，二者构成的分子半导体异质结属于非平衡非周期性的体系。该双电极自旋极化电输运系统可采用基于非平衡态格林函数方法结合密度泛函理论的思路来求解，进而研究分子多铁器件的电输运问题。由于分子多铁材料(NH₄)₃Cr₂O₈独特的磁电耦合效应和自旋相互作用，在与钴电极表面接触时形成了具有自旋过滤效应分子电子学器件。

附图说明

图1为本发明的自旋过滤异质结器件的结构示意图；

图2为本发明的自旋过滤异质结器件当分子多铁材料(NH₄)₃Cr₂O₈处于铁磁态(ferromagnetic>

图3为本发明的自旋过滤异质结器件当分子多铁材料(NH₄)₃Cr₂O₈处于亚铁磁态(ferrimagnetic>

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

如图1所示，一种基于钴-分子多铁材料的自旋过滤异质结器件，包括采用磁性金属钴构成的左、右电极作为源极和漏极，分子多铁材料(NH₄)₃Cr₂O₈作为中间隧穿区域。所述左、右电极材料均为磁性金属钴，将长度为纳米尺度的分子多铁材料(NH₄)₃Cr₂O₈和双电极依次排列构成三明治结构。分子多铁材料(NH₄)₃Cr₂O₈两边连接栅极。

在上述自旋极化输运异质结晶体管中，源极和漏极分别由扮演自旋注入装置和自旋感应装置角色的铁磁体构成。注入漏极的电子自旋和输运方向一致。电子以弹道输运通过中间的通道，当电子到达漏极时，它的自旋可以被探测到。通过中间通道的电子自旋平行与漏极磁化方向时，体系呈现开(ON)状态，而反平行与漏极时，体系呈现闭(OFF)状态。门极(即栅极)的作用是产生一个有效的磁场，这个磁场由衬底材料的自旋-轨道耦合作用、输运通道的结构限制或门极的静态势产生。这个有效的磁场可以使电子自旋产生进动。通过调节偏置电压，可以影响进动导致通过中间通道的电子自旋平行或反平行与漏极，进而有效的控制电流。

当两铁磁层磁化方向相同时的电导要比两铁磁层磁化方向相反时的电导要大，这就是隧道磁阻(TMR，tunneling magnetoresistance)，可以定义为如下公式

其中电导和电阻被标记了两个铁磁层的相对磁化方向(对体系施加大约10高斯的很小的磁场就会使两铁磁层的相对磁化方向在↑↓和↑↑之间相互转化)。基于分子多铁异质结的自旋过滤器件的结构，自旋极化电流沿着z方向流动。描述电子分布的密度矩阵可以从一系列的格林函数矩阵中得到。非平衡态密度矩阵是计算输运运性质的核心部分，先从散射态入手去建立非平衡态格林函数表达式与密度矩阵的联系。散射态波函数ψ_l从左电极开始，由未耦合的半无限长电极的未微扰入射态(标记为l)产生，且使用了推迟格林函数。其中，非平衡情形的电子态从电极的深层能量开始并且被充满到左右电极的电化学势(μ_L，μ_R)，从左右电极的态构建密度矩阵。基于密度泛函理论方法来计算扩展分子(分子以及连接其两端的部分金属电极)的电子结构，在密度泛函水平上得到其表面格林函数。基于电子密度自洽迭代方法计算分子器件的电势分布以及电压降(voltage>4)₃Cr₂O₈部分被充分弛豫，直到原子间的作用力小于达到收敛状态。电流由如下公式得到

其中代表费米-狄拉克(Fermi-Dirac)分布，μ_L,R代表左右电极的化学势。T(E，V_b)是在能量E以及偏置电压V_b下的透射系数。

图2为本发明所述的分子多铁材料(NH₄)₃Cr₂O₈处于铁磁态(ferromagneticstate)时的自旋过滤器件的电流电压关系图。该图显示电压变化范围为-2～2V，首先，在正向偏置电压0到1V范围内，随着电压的增加，自旋极化向上电流增加非常缓慢，数值接近于0，而自旋向下电流数值较大；在1～2V范围内，自旋极化向上电流刚开始有所增加，自旋向下的电流数值相对较大，有一定的震荡。在0～-2V的偏置电压范围内，自旋向上电流数值接近等于0，而自旋向下电流数值较大。

图3为本发明所述的当分子多铁材料(NH₄)₃Cr₂O₈的自旋过滤器件处于亚铁磁态(ferrimagnetic>

综合图2和图3，可以看出无论在铁磁态或者亚铁磁态，在基于钴-分子多铁材料(NH₄)₃Cr₂O₈异质结的自旋过滤器件中，自旋向上电流和自旋向下电流产生了明显的劈裂，在偏压为0～1V和0～-1V范围内，均产生了性能良好的自旋过滤效应，该分子多铁材料的自旋过滤器件可以广泛应用于分子自旋电子学器件中。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。