石墨烯电自旋注入器件的界面调控及机制探索

The electrical spin injection into graphene, combing the merits of both carbon nanomaterials and spintronics, can realize long distance transport of spin current and even low-power spintronics-based computing. As verified by experiments of electrical spin injection, the spin diffusion length (SDL) in graphene can be longer than 10 microns. To explore the ultimate capability of spin transport in graphene, some key issues need to be solved. The first one is about the fabrication and modulation of high quality tunnel barriers on graphene. In this project, we will study the issue of fabricating high-quality tunnel barriers on graphene, and will develop some methods to realize fine tuning of the barrier quality and property. Another key issue is about the spin relaxation mechanism and new-type spin injection/detection methods. By evaluating the spin transport in graphene and graphene nanoscroll (GNS), we will be able to understand the influence of spin-orbit coupling induced by curvature on the spin transport in graphene. Based on spin Hall effect (SHE) and inverse spin Hall effect (i-SHE), we will also try to develop new-type spin injection and detection method. The core issue is about the device research. We will focus on two points: the clean patterning of van der Waals heterojunction device and one-dimensional spin injection into two-dimensional graphene channel. The spin injection into graphene through the edge will enable the exploration of “What’s the influence of the edge on the spin injection into graphene”.

石墨烯的电自旋注入融合了碳纳米材料和自旋电子两大研究方向的优点，可以实现长距离的自旋传输乃至超低功耗自旋逻辑计算。使用电自旋注入的办法，目前实验上已经证明石墨烯体系的自旋扩散长度可以大于10μm。然而，这一方向还存在几个关键科学问题有待解决。首先，电自旋注入的关键在于实现石墨烯表面隧穿层的高品质制备以及精确调控。本项目将研究石墨烯表面高品质隧穿层的制备问题，发展隧穿层品质及特性的调控方法。其次，自旋弛豫机制研究和注入及探测方法探索是电自旋注入的重要问题。本项目将对石墨烯与石墨烯纳米卷的自旋传输问题进行研究，从而厘清曲率导致的自旋-轨道耦合变化对于石墨烯自旋传输的影响。同时，本项目将探索基于自旋霍尔效应及逆自旋霍尔效应的新型电自旋注入及探测方法。最后，器件研究是电自旋注入的核心问题。本项目将从范德瓦尔斯器件图形化、石墨烯一维电自旋注入两个方面进行探索，探究边缘对于石墨烯自旋注入的影响。

石墨烯的电自旋注入融合了碳纳米材料和自旋电子两大研究方向的优点，可以实现长距离的自旋传输乃至超低功耗自旋逻辑计算。本项目围绕石墨烯电自旋注入的关键问题，从界面调控、机制探索和器件研究三个方面进行了深入探索。在界面调控方面，发展了石墨烯表面高品质隧穿层的可控制备方法；实现了纳米厚度相变材料二氧化钒的室温可控制备，揭示了二氧化钒调控磁特性的规律及原理；制备了具有一维接触特性的石墨烯横向自旋阀；揭示了金属包覆层对铁磁电极磁特性的调控规律及原理。在机制探索方面，开展了范德瓦尔斯异质结体系高效自旋-电荷转换机制的探索；揭示了门电压调控石墨烯电导率及自旋扩散长度，实现自旋流引导及逻辑器件应用的物理机制；揭示了二维材料体系基于谷塞曼有效场的自旋操纵实验规律及物理机制，实现了太赫兹的自旋进动及磁阻调控；对于二维铁磁及过渡金属硫化物的二维材料范德瓦尔斯异质结，通过理论计算揭示了界面自旋过滤诱导的磁阻增强效应。在器件研究方面，实现了不同形态及具有不同隧穿层的石墨烯横向自旋阀器件的制备，实验上测得了显著的自旋注入信号；基于相变材料二氧化钒，实现了具有光控特性的新型磁阻器件；面向石墨烯电自旋注入器件本征特性的探测，发展了一套矢量磁阻探测方法，明确了硅片衬底上单层石墨烯的自旋弛豫机制，提出了提高自旋探测效率的方法；发展了一套面向器件构筑的二维材料异质结的活字转移和堆垛技术。项目发表相关论文16篇，发表于Nature Electronics、Physical Review Applied、ACS Nano、Nano Research、APL等期刊。项目累计培养博士生3人、硕士生2人，项目负责人2019年入选中国科协青年人才托举工程。